机器人吸尘器设计报告

摘要:根据人类快节奏生活环境的需要，在传统吸尘器的基础上运用了传感器技术，51单片机控制，全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来,实现室内环境的清洁,替代传统繁重的人工清洁工作,近年来已受到国内外的研究重视。

利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对墙壁等进行判断；通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略；通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现行走转向等功能；通过红外线热释电传感器对人的活动进行检测，减少人对吸尘器行走的影响。

在吸尘器行走的同时，由其自身携带的吸尘风机，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。

当吸尘器电力不足时，电量传感器报警提示。

关键词：机器人吸尘器混合式步进电机超声波传感器灰尘传感器红外释热传感器电量传感器一．整个控制系统的组成及主要设计思路分析多功能吸尘器的整个控制系统，主要由电机部分、传感器部分、微型机算计部分（单片机8051）分组成。

该机器人吸尘器利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行判断；通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略；利用电子罗盘进行方向的判断，通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。

多功能吸尘器的红外线传感器能检测认得存在，在检测到人存在时会给单片机一个电信号，单片机控制吸尘器停止前进。

多功能吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体，吸尘器行走的同时，由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。

单片机作为控制源产生脉冲信号，驱动步进电机转动，同时检测超声波传感器与红外线传感器的信号，数字罗盘的转角信号同样也输出给单片机，由单片机完成信号的处理过程。

二．驱动电机部分机器人吸尘器的驱动部分选择由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成。

1.选择步进电机的理由步进电机的优势：➢步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

➢成本低➢在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系存在，而且步进电机只有周期性的误差（一般步进电机的精度为步进角的3-5%）而无累积误差等。

智能吸尘器是边行走边工作的，所以要求速度很低，一般要求3-5m／min左右，对电机转速的要求不高，所以综合考虑选择步进电机。

步进电机分三种：➢磁阻式：反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。

这种电机选择几乎不被选用。

➢永磁式：一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。

永磁式步进电机与传统的磁阻式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。

因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

➢混合式：混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相。

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。

混合式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。

一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

这种步进电机的应用最为广泛。

混合式步进电机像磁阻式步进电机一样可以做成小步距角，采用细分电路后步距角更小，有较高的启动频率和运行频率，又像永磁式步进电机那样控制功率小，力矩较大，定子断电时有定位转矩。

所以选择混合式步进电机。

2.参数计算机器人吸尘器设计采用两个驱动后轮，一个前轮，如图所示。

步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。

前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性。

通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。

同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。

这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。

同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。

按照运行速度5m ／min ，设计车轮后轮的直径为8cm 计算，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率。

dn v π=min /20814.3500r d v n ≈⨯==π 其中，v —运行速度d —车轮直径n —电机转速由于智能吸尘器速度很低，而步进电机为避免低速爬行，其转速又不能太低，为此，在电机轴与轮轴之间采用了一级齿轮传动，设计传动比为5。

设电机的转速为ｎ约为min /100r 。

机器人吸尘器的质量取3Kg ，电机在平地上行走时，后车轮的的阻力矩mN T rf mg T f f ⋅=⨯⨯⨯=⨯⨯=0647.004.0055.08.93其中，f T —吸尘器后轮的的阻力矩 m —吸尘器质量f —滚动摩擦系数r —后轮半径电机爬坡时，m N f mgr T f ⋅=+⨯⨯⨯=+=877.0)055.01(2204.08.93)cos (sin θθ cm N T L ⋅=877.0max多功能吸尘器的前轮阻力矩：mN T r f mg T f f ⋅=⨯⨯⨯=⨯⨯=8.05.0055.08.93''前其中， 'f T —吸尘器的前轮阻力矩f —滚动摩擦系数r —前轮半径最大负载转矩限制要求： max L st T T >一般使用中，取: )5.0~3.0/(max L st T T =式中：st T ——步进电动机启动转矩；max L T ——最大静负载转矩。

m N T T L st ⋅===923.23.0877.0)5.0~3.0/(max 步进电机的保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。

它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。

由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。

且拍数较多是，始动转矩st T 越接近保持转矩，所以选定电机时，将保持转矩视为重要衡量参数。

通过网络查阅资料，有：根据计算参数比较，选择了常州市江华电器电机有限公司的86BY450C-01混合式步进电机，价格在180—200元之间，可以接受。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，该电机的温升满足。

三．电动风机的选择多功能吸尘器主要是利用电动机带动叶轮旋转时,在密封壳体内产生空气负压,吸取尘埃碎屑，电动机和叶轮组合一体,称为电动风机系统,电动风机系统是多功能吸尘器中关键件，一般的家用吸尘器电动风机系统功率(输入电功率)从几十瓦到一千瓦以上,较大功率的电风机系统一般都采用单相串励电动机驱动,电动风机系统在吸尘器工作时,工况不断变化风量最大时,吸入真空度为零,此时称为电风机系统的短路状态;吸入真空度为最高时,风量最小此时称为电风机系统的空载状态,电风机系统的最大输入功率、最大流量、最大真空度等都是电风机系统的重要技术指标。

全自动吸尘器的电动风机要求电动机有很高的转速，转速不低于10000r/min.本来想用直流无刷感应电机做为风机，但在查阅资料时发现可以直接买入做好的吸尘器电机。

于是选择了苏州正益凯电器有限公司的吸尘器通用电机马达 FC8347 QW12T-05F。

价格在45——55之间，可以接受。

四．超声波传感器1.原理机器人智能吸尘器利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行判断。

s为障碍物与吸尘器之间的距离；t为发射到接收经历的时间；v为声波在空气中传播的速度。

由于ｖ的值受温度的影响会波动，因此，在实际的应用中可以用以下公式来加以补偿，其中T表示空气的绝对温度，m/s为速度单位。

在智能吸尘器中，避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。

它的传感器部分由三对（每对包括一个发射探头和一个接收探头）共六个超声波传感头组成。

由单独的振荡电路产生频率固定为40kHz，幅值为5V的超声波信号。

在控制器送来的路选信号的作用下，40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端，从而产生超声信号向外发射；该信号遇到障碍物时，产生反射波，当这一反射波被接收探头接收后，根据前述测距的原理，就可以精确地判断障碍物的远近；同时，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。

40kHz的超声波信号是由555芯片构成的多谐振荡电路产生的。

由R1、R11、R12和C1构成外围的充放电电路；当参数漂移时，通过调节R12的阻值，可微调信号的中心频率。

2. 探测范围的确定由于每一个超声波探头都有一定的指向性（即发射或接受的空间范围），所以在测量时必然存在盲区。

因此，三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端，从而使传感器测量的范围包含整个吸尘器所必须经过的空间，同时又避免探测死角（既使盲区落在须测量的范围之外）。

3.防止干扰由于三对超声波传感探头之间的安装距离比较近，因而存在相互干扰的问题。

为了解决这一问题，在设计中引进了循环扫描的方式。

既循环地对每组探头施加发射和接收，当一组工作时，其余两组停止。

循环周期由路选信号来控制，只有15ms（即在15ms的时间里完成一次对三组探头的扫描），因而在实际应用中很可靠。

空气的温度和湿度也会对精度产生影响。

空气温度每上升20ºC，检测距离至多增加3.5%。

在相对干燥的空气条件下，湿度的增加将导致声速最多增加2%。

4. 性能指标超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

5. 元件选择全自动吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器。

在超声波信号发射侧使用T40-16在信号接受侧使用R40-16发射信号侧由40HZ的通信电路、控制ON-OFF及驱动电路组成接收信号侧由放大、比较和积分电路组成（超声波传感器为了容易反射声波，对测定物体成直角安装。