实用型智能吸尘器传感器技术初探

ＷＥＩ Ｃａｉｒｏｎｇ （Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｈｉｇｈｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＶａＣ＇＿ＩＵＩＩｉ ｃｌｅａｎｅｒ．Ａｔ ｔｈｅ ｓｍｌｌｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｓ。ｗｉｔｈ ａ ｖｉｅｗ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｌｏｗ ｃｏｓｔ。Ｓｌｌｌ且ｌｌ ｓｉｚｅ，ａｔ ｔｈｅ ＢａＩＩ砣ｔｉｍｅ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｓａｔｉｓｆｒ ｔｈｅ ｆａｍｉｌｙ ｃｏｖｅｒａｇｅ ｃｏａｔ－ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉ曲ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖ∽ｕｕｍ ｃｌｅａｎｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖａｃｕｕｍ ｃｌｅａｎｅｒ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｓｉｎｇｌｅｅｈｉｐ，ｓｅｎｓｏｒ
本文针对智能吸尘器的关键技术之一——传感器的 选择及其实现作了初步探讨。该智能吸尘器的控制器拟 用５１系列单片机。 １传感器总体方案
移动机器人上常用的测距传感器有超声波传感器，红 外传感器、视觉传感器、激光测距仪等。
红外传感器采用发射固定波长红外线并接受同一回 波的主动方式，探测视角小，方向性强，测营精度高、反应 速度快。但其缺点是受环境影响较大，红外探测头稍被灰 尘污染，其测量精度就会大大下降，而且探测距离比较 近，一般不超过１米。
现代制造技术与装备
２００９第１期总第１８８糍Ｊ
实用型智能吸尘器传感器技术初探
蔚彩蓉 （内蒙古科技大学高职院，包头０１４０１０）
摘 要：对智能吸尘器的传感器技术进行初步研究，同时，将该技术应用到实际的项目中，以期开发出价格 低、体积小，同时覆盖率能够满足家庭应用的性价比较高的实用型智能吸尘器产品。
关键词：吸尘器 智能 单片机 传感器
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图１ 超声波探测原理框图。 图２为依据上述原理设计的智能吸尘器超声波探测 原理图。
万方数据
自动化与控制
图２智能吸尘器超声波探测原理图
３超声波探测软件设计 本智能吸尘器的软件设计采用Ｋｅｉｌ公司Ｒｔｘ５１实时
随着消费水平的提高，人们越来越要求小家电应该充 分体现“智能、安全、多功能、节能和环保”的优势，只有这 样，“它”才会备受人们的欢迎和喜爱，作为小家电自身也 才会有更为广阔的发展前景，而目前商场里的吸尘器无 一不是传统设计的使用方式，这使得同样形式的吸尘器 的竞争越来越大，而传统模式的吸尘器已越来越不能满 足消费者追求新颖的要求。因此，人们需要一款价格低、 体积小，同时覆盖率能够满足家庭应用的性价比较高的 实用型智能吸尘器产品。
参考文献
【ｌ】宗光华．机器人的创意设计与实践【Ｍ】．北京：北京航空航天 大学出版社，２００４．
【２】刘峰等．服务机器人低成本及复杂度的研究【Ｊ】．机械传动，
２０００．３． 【３】吴秋轩。曹广益． 家用服务型吸尘机器人的发展与现状．
电气传动自动化．２００３（６）．
图４超声波探测的流程圈
Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｖａｃｕｕｍ Ｃｌｅａｎｅｒ
万方数据
考虑到超声波传感器方向性差，用多个传感器并采用 数据融合技术获得所需的外界信息。 ２超声波探测原理
超声波（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｅＷａｖｅＳ）是指超过人的听觉范围以七 （１６ｋＨｚ以上）的声波。超声传感器是由压电陶瓷晶片、锥形 辐射喇叭、金属网格等构成。其中，压电陶瓷晶片是传感 器的核心。锥形辐射喇叭主要是使发射与接收超声波的 能量集中，并使传感器有一定的辐射角；金属网格则起到 保护作用，但不影响超声波的发射与接收。常用的超声传 感器，其中心频率约为４０ＫＨｚ。
超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发 射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中 传播，途中碰到障碍物就立即返网来，超声波接收器收到 反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 Ｃ，而根据计时器记录的测出发射和接收同波的时间差ｔ， 就町以计算出发射点距障碍物的距离ｓ，即：Ｓ＝Ｃｔ／２。图 １为超声探测原理框图。
激光测距仪根据扫描机构的不同可分为２Ｄ和３Ｄ两 种，分别进行二维和三维环境的测距。３Ｄ激光测距仪除了 提供障碍物的距离信息，还提供激光的反射度信息，可以 利用激光强度图进行障碍物的检测。但３Ｄ激光测距仪价 格昂贵而笨重，且成像速度较慢，限制了它的进一步应 用。相比而言，２Ｄ激光测距仪只在二维平面内扫描，结构 简单，扫描速度快且数据点密集精确。有些激光测距仪需 要安装路标配合，不适用于智能吸尘器在室内使用。
超声波传感器相对于其它类型的传感器有如下优点： 环境适应能力强，在阴影、灰尘、烟雾等环境下，应用不受 限制，对于吸尘器这一点尤为重要。而且超声波传感器比 视觉传感器和激光测距仪便宜，不容易损坏。‘在吸尘过程 中，通常只需要辨别物体的大致形状和与机器人的距离 并不需要诸如颜色、类别等信息。此外，视觉传感器如摄 象机得到的距离信息．，主要根据物体所成像的相对灰度 等级决定，物体像的灰度信息会随光线变化而变化，所以 在相对黑暗的环境中，其很难判断物体的远近。而超声波 传感器通过波的发射接收时间来测量距离信息，对环境 的光线无要求。
多任务操作系统作为开发环境。Ｒｔｘ５１ Ｔｉｎｙ主要配置参数 为：１个Ｔｉｃｋ：１００００系统时钟，这里即１０ｍｓ；时间片大小： ｌＯ个Ｔｉｃｋｓ，这里即ｌＯＯｍｓ；
具体实现思路如下： ＭＥＡＳＵＲＥｌ：前部超声探头测距任务。调用ｏｓ＿ｗａｌｔ进 行延时等待（２０个Ｔｉｃｋｓ），同时马上交出时间片，一次测 距过程需较多时间。所以分四个任务，并安排在不同时间 点启动测距过程，相互错开，以尽量将占用时间分散。 ＭＥＡＳＵＲＥ２：右侧超声探头测距任务。调用ｏｓ＿ｗａｉｔ进 行延时等待（５＋１５个Ｔｉｃｋｓ），同时马上交出时间片。 ＭＥＡＳＵＲＥ３：左侧超声探头测距任务。调用ｏｓ＿ｗａｉｔ进 行延时等待（１０＋ｌＯ个Ｔｉｃｋｓ），同时马上交出时间片。 ＭＥＡＳＵＲＥ４：尾部超声探头测距任务。调用ｏｓ ｗａｉｔ进 行延时等待（１５＋５个Ｔｉｃｋｓ），同时马上交出时间片。 图２为超声波探测的流程图。 ４结论 综上，在智能吸尘器中采用超声波传感器，具有结构 简单、工作可靠，性价比较高等特点。
立体视觉测距是利用两个相互位置已知的摄像头组 成的视觉系统，根据同一景物在两个摄像头上成像的视 场计算出景物的深度，从而获得其距离信息，但目前技术 还不成熟，难以同时满足实时性和鲁棒性的要求。
传感器的选择要考虑多方面的因素。首先，根据智能 吸尘器所要完成的任务和要求来决定使用哪些，再则，根 据各类传感器的使用性能和特点来选择。而且，还要考虑 经济性，即成本问题，不能一味地追求尖端技术的传感 器。