利用超声波测距技术实现智能吸尘器的设计

随着社会的进步和发展，人们的学习、工作越来越繁忙，于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事物中解脱出来，就成了新一代家电所追求的目标。而智能化正是这一目标的集中体现。本文介绍的智能吸尘器初步实现了无人情况下的自主工作方式，很大程度地提高了产品的自动化水平。

１ 总体原理

该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；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，从而实现避障功能。与此同时，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。

２ 功能实能

整个吸尘器原理上可以分为五个主要部分（如图1）：传感器部分、控制器部分、驱动部分、吸尘部分和电源部分。各部分的原理及具体功能实现如下：

２．１ 传感器部分

２．１．１ 超声波测距原理

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可 以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其具体的计算公式如下：

s＝v×t／2

其中，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（如图1）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。

２．１．２ 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（如图2）。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）。

２．１．３ 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。

２．２ 控制部分

控制部分的核心是MC51单片机，它主要完成三个部分的任务：

向传感器部分（三路）分别送路选信号：当路选信号是高电频时，该路导通；反之，就截止。这样，通过路选信号，就可以完成三路信号的顺序扫描以及对发射和接收的计时功能。

作为控制器的核心，它要根据接收的信号（左、中、右三路）的幅值，以及从发射到接收的时间间隔，计算并判断障碍物的相对位置，大致大小。在此基础上，根据事先设定的规则，选定相应的避障措施（前进、左转、右转、后退、调头）。

最后，在确定了避障措施后，要向步进电机的控制器输出相应的控制脉冲，以具体实现避障。

２．３ 驱动部分

驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。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平面轴承，这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图３）。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。

由于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5m／min左右，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３．７。设电机的转速为ｎ（转／秒），驱动轮的半径为ｒ（米），则驱动轮的前进速度为：

式中，ｖｋ，ｋ＝１，２，代表左右驱动轮的线速度；ｉ――齿轮传动比。通过调节ｎ的大小和正反，可以实现ｖｋ的连续变化，从而实现任意半径的转弯。电机转向与吸尘器的运动方式的关系如表１。

２．４ 吸尘器部分

吸尘功能是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的。包括气泵、吸室、吸道和吸嘴。在吸尘器爬行的过程中，通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入吸室。

２．５ 电源部分

由于智能吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般拖线方式，而是采用随身携带的蓄电池（3A／20hour）。这样不但可实现无人控制，而且工作时较灵活。一次充电可以连续工作几个小时。

３ 部分电路说明

３．１ 超声信号发生

40kHz的超声波信号是由555芯片构成的多谐振荡电路产生的（如图4）。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。

３．２ 步进电机驱动

由控制器输出的驱动脉冲信号经7404反向后，驱动功率三极管从而带动步进电机。图5列出了一相的驱动电路。由于有两个步进电机，每一电机按四相八拍制工作，因而共有八组驱动电路。

３．３ 控制器

控制器是由MC51单片机构成的。与前述 控制器所完成的三相主要任务相对应的硬件结构分别介绍如下：路选信号由单片机的P1口输出，占用了P1.0～P1.6共6脚。它们直接控制6个模拟开关；步进电机的驱动信号由P2口输出，P2.0～P2.3控制步进电机A，P2.4～P2.7控制步进电机B；超声返回信号经放大、滤波、检波后，引入单片机的中断口，激励相应的中断处理程序。

４ 系统性能及特点

从以上介绍可以看出，新一代的智能吸尘器通过将MC51单片微机与自身相结合，极大地提高了产品的可塑性，适应于高层次的开发与应用。它在完成超声避障的基础上，初步实现了无人干预下的自主工作方式，同时由于特殊的驱动结构的设计，实现零半径的转弯，因而具有智能化、高效性、轻便、灵巧等特点，是较新的发展方向。