【文章內(nèi)容簡介】 感器部分（超聲波傳感器、紅外線熱釋電傳感器、電子羅盤）、微型機算計部分（單片機8051）、等部分組成。該全自動塵器利用了超聲波測距的原理（如圖26所示），通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對障礙物進行判斷；通過以單片機為核心的控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；利用電子羅盤進行方向的判斷，通過驅動器驅器驅動動兩步進電機，帶動驅動輪，從而實現(xiàn)避障。全自動吸塵器的紅外線傳感器能檢測人得存在，在檢測到人存在時會給單片機一個電信號，單片機控制吸塵器停止前進并同時控制發(fā)聲器發(fā)出聲音，讓人能夠離開。功能全自動吸塵器實際上是一個行走機器人和吸塵器的組合體，吸塵器行走的同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經(jīng)過的地面進行必要的吸塵清掃。 單片機作為控制源產(chǎn)生脈沖信號，驅動步進電機轉動，同時檢測超聲波傳感器與紅外線傳感器的信號，數(shù)字羅盤的轉角信號同樣也輸出給單片機，由單片機完成信號的處理過程，可以說全自動吸塵器的控制系統(tǒng)是以單片機為核心的。 紅外傳感器超聲波傳感器接收端發(fā)射端單片機自帶電源發(fā)聲器驅動器左步進電機驅動器右步進電機吸塵部件電子羅盤 （圖26控制系統(tǒng)原理圖 ）第3章 全自動吸塵器結構的設計 全自動吸塵器主要參數(shù)計算全自動吸塵器的驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步進電機帶動兩驅動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結構，而采用了應用非常廣泛的萬向轉輪這既減小了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性（如圖34）。 通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調速。同時在對兩電機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、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實現(xiàn)轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉彎半徑（即繞軸中點原地施轉）。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調節(jié) 。左側步進電機 右側步進電機自帶電源萬向轉輪驅動輪驅動輪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3m／min左右，這樣能夠保證全自動吸塵器行走平穩(wěn)，而且有很高的效率，設計車輪的直徑為8cm, ( 圖 4轉向結構圖)則由公式（3—1）U=CN （3—1）式中 C—車輪的周長（cm） N—車輪的轉速（r/min）N=U/C≈12r/min設計全自動吸塵器的質量在3Kg則。后車輪的的阻力矩由公式（3—2） T=mgfr （3—2）f—滾動摩擦系數(shù)由《機械設計課程設計指導》（K/CM)T=34=T0=mgfr=3=T1= mgf1Rf1=,由《機械設計課程設計指導》表119選取.T1=。根據(jù)供電電壓為12V選取步進電極電機,根據(jù)《小功率電機手冊》,選擇永磁式步進電機,其具體參數(shù)如下:表31。表格 31 步進電機的基本參數(shù)型號相數(shù)額定電壓(V)電流（A）保持轉矩（mN/cm）步近角(176。)57BYG005412V176。 第4章 電源及驅動電路的設計 供電電源的設計全自動吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般拖線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池。這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。移動電源在全自動吸塵機器中的地位十分重要,可以說它是吸塵機器人的“生命源”，移動電源需同時為移動機構提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等，在這一領域,一般采用化學電池作為移動電源,如鉛酸電池等。理想的電源在放電過程中應該能夠具備:保持恒定的電壓。內(nèi)阻小以便快速放電?？沙潆?。成本低等特點。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點，由于室內(nèi)移動機器人要求具有體積小!自重輕等特點,所以電源的體積重量也是一個重要的考慮因素,這就要求選擇一種體積小、容量大、可重復使用性高的電池,盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間，除了為吸塵器運動、吸塵及控制電路提供能量外,還需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,能夠自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。蓄電池安裝時（AH）表示容量，在規(guī)定溫度下，放電充電和通常電源條件下，完全充電的電池所能輸出的標準電量，如1000MAH表示電池在1000MA放電電流的條件下，具有的連續(xù)工作1小時的能力。質量效率是衡量蓄電池能量密度的指標，表示蓄電池單位質量的輸出效率，質量效率的單位為AH/KG 。機器人使用蓄電池雖然摔掉了電纜卻有增加了負載和，和體積，因此追求質量效率有實際意義。普通蓄電池的質量效率不高，在30～36AH/KG。新型蓄電池的質量效率在60～100AH/KG。全自動吸塵器選用24V，10AH的蓄電池，也可以選用蓄電池組進行系統(tǒng)供電，為了便于蓄電池進行充電，將蓄電池的充電器和驅動電路集成一體，如圖41，是由整流二極管等組成的蓄電池充電電路。CPU 用5V以及電機12V電源電路：全自動吸塵器需要兩類電源，一類是供給數(shù)字IC﹑單片機傳感器的工作電源，為+5V，同時需要一類為電機驅動電源，根據(jù)電機的要求，電壓在12V電流在幾A，兩類電源當然可以分別供電，但是往往不經(jīng)濟，并可能帶來安裝空間困難，用一組電池時，5V、12V電源可以從端子穩(wěn)壓器件變換后獲得。（圖 41 蓄電池充電器電路圖）（圖 42 穩(wěn)壓電源）圖42中的輸入電壓24V電源經(jīng)芯片MPC2412HF和MPC2405HF分別獲得電壓12V和5V的 兩路電壓輸出，其中，+5V電壓的供電最好選用MPC24A05HF，而非TA78005AP，區(qū)別在前者最小輸入電壓是6V，或者7V。 步進電機的原理及驅動電路 步進電機的原理 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB） 永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小， 或15度； 反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代已被淘汰； 混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相： 。這種步進電機的應用最為廣泛。 1. 反應式步進電機（1）結構電機轉子均勻分布著很多小齒（1，2，3，4，5），電機定子有三個勵磁繞阻（A，B，C），A與齒1相對齊，B與齒2錯開1/3て，C與齒3錯開2/3て，A與齒5相對齊...。將定子和轉子展開如圖43所示： (圖表 43 步進電機結構圖)（2）旋轉如A相通電，B、C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊；如B相通電，A、C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3て，此時齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移2/3て；如C相通電，A、B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3て，此時齒4與A偏移為1/3て對齊；如A相通電，B、C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3て。 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電，齒4移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A、B、C、A...通電，電機就向右旋轉；如按A、C、B、A……通電，電機就向左轉。由此可見：電機的位置和速度由導電脈沖數(shù)和頻率成一一對應關系，而方向由導電順序決定。 不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮，往往采用AABBBC－CCAA這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機細分驅動的基本理論依據(jù)。但經(jīng)過理論分析及大量的實驗證明：細分數(shù)如果超過10，電機帶負載后，就會產(chǎn)生跳步和失步現(xiàn)象。 不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m……(m1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制——這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。（3）力矩電機一旦通電，在定轉子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）。當轉子與定子錯開一定角度時，產(chǎn)生的吸引力 F=K*dФ/dθ成正比。其中磁通量Ф=Br*S（Br=N*I/R為磁密，S為導磁面積，N*I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻），θ為錯齒量，K為系數(shù)?？梢?，F(xiàn)與L*D*Br成正比（ L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑）。 力矩=F*D/2，因此，力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（設為線性狀態(tài)），即電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。（永磁式）永磁式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比