【導讀】半自動或全自動清潔,替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作,近年來已受到國內外的研究重視。動機器人的多項關鍵技術,具有較強的代表性。從市場前景角度講,自主吸塵器將大大降低勞。動強度、提高勞動效率,適用于家庭和公共場館的室內清潔。因此開發(fā)自主智能吸塵器既具有?？蒲猩系奶魬?zhàn)性,又具有廣闊的市場前景。沖，對墻壁等進行判斷；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，機，帶動驅動輪，從而實現(xiàn)行走轉向等功能；通過紅外線熱釋電傳感器對人的活動進行檢測，在吸塵器行走的同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經過。的地面進行必要的吸塵清掃。當吸塵器電力不足時，它會自動尋找充電插頭上發(fā)射的紅外線，找到充電后其尾部的松耦合變壓器靠近插頭實現(xiàn)充電。當蓄電池的電充滿后自動返回未完成

　　

【正文】 外 光 源紅 外 光 源傳感器B傳感器A紅 外 光 源（ b ）（ c ）（ a ） 圖 46 紅外光源方向檢測原理圖 充電座紅外線信標發(fā)射電路如圖 47，由兩個 LM556 來產生 56KHz 的紅外信號。 LM556 是555 定時器電路系列中的一個雙定時器 IC，支持兩個有效觸發(fā)，并由電阻 R1 和電容 C1 的時間 常數(shù) b決定。 紅外接收頭選用頻率為 型號，工作電壓 5V，探測距離 8 米。充電座紅外線信標檢測電路如圖 48。 圖 47 充電座紅外信標發(fā)射電路圖 紅外接收頭A紅外接收頭BO u t AO u t B 紅 外 線傳 感 器紅 外 線L E D接 觸 板機 器 人充 電 座方 向 引 導電 氣 接 觸 式 對 接 圖 48 充電座紅外信標探測電路圖 圖 49機器人充電對接示意圖 25 對接算法 為了更好地進行對接，將周圍區(qū)域分為對接區(qū)域和非對接區(qū)域。與充電站在同一條直線上的一定寬度的區(qū)域稱為對接區(qū)域，機器人在此區(qū)域內進行位姿調 整以便達到第二部分的對接誤差要求，在非對接區(qū)域只需將機器人看作是一個質點機器人即可，不必考慮角度和尺寸等要求，因此將對接任務分為遠程對接和近程對接。 遠 程 對 接 開 始搜 索 充 電 座發(fā) 現(xiàn) 目 標是 否 有 障 礙 物向 目 標 移 動到 達 對 接 區(qū) 域近 程 對 接 開 始初 步 定 位精 確 定 位位 置 對 正進 行 對 接電 壓 監(jiān) 測 正 常漫 游充 電 開 始避 障NYYNYNYNYN調 姿后 退 充 電 模 式 開 始電 池 溫 度 超 過4 0 度NY電 池 電 壓 超 過1 1 .9 V超 過 最 長 充 電 時間NYN脫 離 充 電 座返 回 先 前 任 務 圖 410移動機器人充電對接程序流程圖 遠程對接： 機器人在非對接區(qū)域向對接區(qū)域的運動稱為遠程對接。因為輪式機器人為非完整約束，無法橫向移動，為了方便在對接區(qū)域機器人進行位姿調整，機器人將對接區(qū)域內的某一點而不是將充電站設為遠程對接目標 ，機器人在遠程對接時向對接目標點運動，機器人到達對接目標后立即轉換為近程對接。 當機器人的充電任務被觸發(fā)后，機器人可能在環(huán)境的任何地方，此時機器人的首要任務就是尋找充電站。機器人首先根據室內系統(tǒng)來確定對接目標。在充電站上設置導航紅外線信號燈，當機器人進入對接區(qū)域時，由紅外線信號燈來引導機器人調整正確的航向，確保機器人以正確的姿態(tài)進行對接。如果到達定位系統(tǒng)顯示的目標區(qū)域仍找不到充電座信號，則進行漫游搜索，直到發(fā)現(xiàn)目標信號并向目標運動。如果在 內無法發(fā)現(xiàn)目標就認為對接失敗。 26 近程對接： 由于進行遠程對 接時將機器人看作是一個質點，并沒有考慮自身姿態(tài)，所以當機器人進人對接區(qū)域時需要根據傳感器信息進行位姿調整，以滿足充電位置和角度要求。需根據各自位姿進行調整，位姿調整時最大速度為 100 mm/s。 當機器人調整位姿到適合對接時，機器人的微控制器發(fā)出指令，進行對接。如果機器人接觸點電壓達到 ，表明對接成功，則機器人開始進行充電并監(jiān)控電源電壓狀態(tài)，如果電壓達到指定電壓說明電源已充滿，機器人將將和自動和充電座分離，并繼續(xù)執(zhí)行原來任務。如果對接失敗，機器人稍微后退后進行適當調整，然后再次進行對接，直到對接成功 。對接算法流程示意圖如圖 410所示。 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器 松耦合感應電能傳輸模式（ Loosely CoupledInductive Power Transfer，簡稱 LCIPT）是一種基于電磁感應耦合理論，現(xiàn)代電力電子能量變換技術及控制理論于一體的新型電能傳輸模式。實現(xiàn)了在供電線路和用電設備之間的非物理連接下的能量傳輸 [2]。從而克服了傳統(tǒng)接觸供電方式所具有的接觸火花、碳積、磨損、不安全等一系列缺陷 [4]。目前，在大功率汽車充電系統(tǒng)和礦井等特殊場合已經成功開始使用。 在松耦合 感應電能傳輸系統(tǒng)中，能量發(fā)射裝置和能量接收裝置之間一般是通過有較大距離的分離式變壓器來連接。分離式變壓器的漏感具有較高的數(shù)量級，不僅影響能量傳輸?shù)墓β屎托剩視哟蠊β势骷碾妷簯Αｋm然通過補償?shù)姆绞娇梢詼p小開關器件的電壓應力，但是遠距離傳輸所帶來的耦合系數(shù)低這個問題卻沒有辦法解決，本文就以非接觸變壓器為研究對象，對其進行了優(yōu)化設計，基于 ANSYS 仿真軟件進行了仿真比較，并且以所設計的 1 kW 松耦合諧振變換器的松耦合變壓器進行了測試，給出了自感、漏感和耦合系數(shù)隨氣隙變化的曲線，就仿真與實驗的差距給出了 詳細的理論分析。 1 松耦合感應能量傳輸 27 圖 1 耦合感應能量傳輸系統(tǒng)結構圖 系統(tǒng)將單相或三相交流市電整流為直流電供給松耦合變換器，變換器的輸出經過整流獲得直流電供給負載。對于電池負載來說，最佳方法是采用恒流充電的方式，變換器就需要采用恒流源的拓撲。對于滑動式無接觸能量 傳輸系統(tǒng)，進行長距離供電時通常需要一定的開關控制系統(tǒng)，實現(xiàn)初級繞組的分段式供電，提高傳輸效率。對于整個系統(tǒng)來說，核心部分為帶有松耦合變壓器的變換器。 對于大功率充電器來說選用全橋拓撲比較合適，全橋諧振變換器的電路原理圖如圖 2 所示。 圖 2 中 Vin 為輸入電壓， S1~S4 是開關管；虛線框內表示的就是松耦合變壓器；副邊電壓經過整流之后供給負載。松耦合變壓器最主要的缺點就是漏感值比傳統(tǒng)緊耦合變壓器漏感值大得多，這樣就會在開關器件上產生很大的電壓尖峰。解決這個問題的方法就是加入補償電容使之與漏感發(fā)生諧振，漏 感在開關過程中的電壓尖峰被電容電壓完全抵消。同時，諧振電路起到了濾波的作用。原邊電路加上補償后原邊獲得了正弦電流，此時，對于電路的分析可以大大簡化，并且松耦合變壓器對外界的電磁干擾也降到最低。但是補償電容并不能增大互感值，也就是耦合系數(shù)由變壓器的結構本身決定。因為耦合系數(shù)反映了系統(tǒng)的功率傳輸能力，所以如何提高松耦合變壓器的耦合系數(shù)是研究非接觸式能量傳輸系統(tǒng)中的一個重要問題。 28 圖 2 耦合全橋變換器電路原理圖 2 松耦合變壓器 圖 3（ a）和圖 3（ b）分別為松耦合變壓器實物示意圖和原理圖。 （ a） 松耦合變壓器實物示意圖 （ b） 松耦合變壓器原理圖 圖 3 松耦合變壓器 與傳統(tǒng)變壓器的不同是在原邊磁芯和副邊磁芯之間有很大的氣隙，雖然通過補償?shù)姆绞娇梢詫⑤^大的漏感的影響抵消掉，但是，耦合系數(shù)卻不能提高。本文就在相同氣隙前提下如何提高兩個耦合電感的耦合系數(shù)進行了建模仿真 , 并且根據所設計的一臺 1 kW 松 耦合全橋諧振變換器的耦合變壓器進行了實驗數(shù)據測試，對實驗與仿真的差異進行了理論分析。 29 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。 雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通 的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識 。 步進電機分三種： 反應式（ VR）， 永磁式（ PM）和混合式（ HB）永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為 度 或 15 度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為 度，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：兩相步進角一般為 度而五相步 進角一般為 度。這種步進電機的應用最為廣泛。 一般步進電機的精度為步進角的 35%，且不累積。 步 進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達攝氏 200 度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏 8090度完全正常。 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： 30 (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)?1/6 て。 甚至于通過二相電流不同的組合，使其 1/3 て 變?yōu)?1/12 て， 1/24 て ，這就是電機細分驅動的基本理論依據。但經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??(m 1)/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，在定轉子間將產生磁場（磁通量 Ф ）。當轉子與定子錯開一定角度時，產生的吸引力 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。 式步進電機（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 31 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較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速 同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行（必須采用雙極電壓驅動），而反應式電機則不能如此。 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 步進電機的特性 相數(shù)：產生不同對極 N、 S磁場的 磁極 線圈對數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或 導電狀態(tài)用 n 表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即 ABBCCDDAAB，四相八拍運行方式即 AABBBCCCDDDAA。 步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用 θ 表示。 θ=360 度（轉子齒數(shù) J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為 50 齒電機為例。四拍運行時步距角為 θ=360度 /（ 50*4） = 度（俗稱整步），八拍運行時步距角為 θ=360 度 /（ 50*8） = 度（俗稱半步）。 每轉步數(shù)：電機每轉一轉所轉過的步數(shù)。 定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定