?。玻保背暡y距原理

 

　　超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其具體的計算公式如下：

 

　　s＝v×t／2

 

　　其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間；v為聲波在空氣中傳播的速度。由于ｖ的值受溫度的影響會波動，因此，在實際的應(yīng)用中可以用以下公式來加以補償，其中T表示空氣的絕對溫度，m/s為速度單位。

 

　　在智能吸塵器中，避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理。它的傳感器部分由三對（每對包括一個發(fā)射探頭和一個接收探頭）共六個超聲波傳感頭組成。由單獨的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號。在控制器送來的路選信號（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號向外發(fā)射；該信號遇到障礙物時，產(chǎn)生反射波，當(dāng)這一反射波被接收探頭接收后，根據(jù)前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠(yuǎn)近；同時，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

 

　?。玻保蔡綔y范圍的確定

 

　　由于每一個超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測量時必然存在盲區(qū)（如圖2）。因此，三對傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測量的范圍包含整個吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時又避免探測死角（既使盲區(qū)落在須測量的范圍之外）。

 

　?。玻保撤乐垢蓴_

 

　　由于三對超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問題。為了解決這一問題，在設(shè)計中引進(jìn)了循環(huán)掃描的方式。既循環(huán)地對每組探頭施加發(fā)射和接收，當(dāng)一組工作時，

 

　　其余兩組停止。循環(huán)周期由路選信號來控制，只有15ms（即在15ms的時間里完成一次對三組探頭的掃描），因而在實際應(yīng)用中很可靠。

 

　　２．２控制部分

 

　　控制部分的核心是MC51單片機(jī)，它主要完成三個部分的任務(wù)：

 

　　·向傳感器部分（三路）分別送路選信號：當(dāng)路選信號是高電頻時，該路導(dǎo)通；反之，就截止。這樣，通過路選信號，就可以完成三路信號的順序掃描以及對發(fā)射和接收的計時功能。

 

　　·作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的信號（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時間間隔，計算并判斷障礙物的相對位置，大致大小。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，選定相應(yīng)的避障措施（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭）。

 

　　·最后，在確定了避障措施后，要向步進(jìn)電機(jī)的控制器輸出相應(yīng)的控制脈沖，以具體實現(xiàn)避障。

 

　?。玻瞅?qū)動部分

 

　　驅(qū)動部分是由兩個四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動兩驅(qū)動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非常廣泛的平面軸承，這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖３）。通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號的頻率，可以對步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時在對兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號時，通過差速方式，可以方便的實現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點原地施轉(zhuǎn)）。同時轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機(jī)的程序來調(diào)節(jié)。

 

　　由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求5m／min左右，而步進(jìn)電機(jī)為避免低速爬行，其轉(zhuǎn)速又不能太低，為此，在電機(jī)軸與輪軸之間采用了一級齒輪傳動，設(shè)計傳動比為３．７。設(shè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為ｎ（轉(zhuǎn)／秒），驅(qū)動輪的半徑為ｒ(米)，則驅(qū)動輪的前進(jìn)速度為：

 

　　式中，ｖｋ,ｋ＝１,２，代表左右驅(qū)動輪的線速度；ｉ——齒輪傳動比。通過調(diào)節(jié)ｎ的大小和正反，可以實現(xiàn)ｖｋ的連續(xù)變化，從而實現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)彎。電機(jī)轉(zhuǎn)向與吸塵器的運動方式的關(guān)系如表１。

 

　?。玻次鼔m器部分

 

　　吸塵功能是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵、吸室、吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過程中，通過底盤上開的吸嘴將掃過的地面上的灰塵吸入吸室。

 

　?。玻惦娫床糠?/strong>