自動家用拖地機的設(shè)計【含proe三維及5張CAD圖帶開題報告-獨家】.zip

自動家用拖地機的設(shè)計【含proe三維及5張CAD圖帶開題報告-獨家】.zip,含proe三維及5張CAD圖帶開題報告-獨家,自動,家用,拖地,設(shè)計,proe,三維,CAD,開題,報告,獨家 自動家用拖地機的設(shè)計 Automatic household mowing machine 摘 要 隨著社會的進步、科技的發(fā)展以及人們對于生活品質(zhì)的追求，許多傳統(tǒng)的工具都會更新成符合現(xiàn)在生活趨勢的樣子取代舊東西。因此，對于家庭衛(wèi)生這方面，傳統(tǒng)的打掃，不僅需要拖把、掃把和簸箕，而且還需要耗費時間和精力，但是現(xiàn)代生活節(jié)奏快，工作壓力大，為了改變這種情況，將我們從家庭衛(wèi)生的瑣事解脫出來，本課題研究了一款自動拖地機，具有自動行走功能、清掃功能和拖地功能于一體的自動家用拖地機。其中的清掃機構(gòu)、水箱機構(gòu)、吸塵機構(gòu)和行走機構(gòu)的設(shè)計，通過了幾種設(shè)計對比選取最符合本課題的機構(gòu)，然后簡要的涉及到了控制和電路部分，最終完成了本次設(shè)計。 關(guān)鍵詞：自動家用拖地機 清掃機構(gòu) 水箱機構(gòu) Abstract With the progress of the society the development of science and technology as well as the pursuit of quality of life for people, many traditional tools will update to fit now life trend of replacing old things Therefore, for family health, this traditional clean, not only need to mop broom and dustpan, but also requires time and effort, but the fast pace of modern life, work pressure big, in order to change this situation, we from family health trivia, this topic research an automatic sweep the floor machine, with functions of automatic walking Clean and mop the floor functions in one of the home sweep the floor machine The cleaning mechanism Tank body The design of the dust collection mechanism and walking mechanism, through several design comparison and selection of the most suitable institutions, then briefly involved the control and the circuit part, finally completed. Keywords: Automatic household mopping machine cleaning mechanism 目 錄 摘要 i Abstract ii 1 引 言（或緒論） 1 1.1 課題研究的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 2設(shè)計的目的和要求 2 2.1 自動家用拖地機設(shè)計的目的 2 2.2 自動家用拖地機設(shè)計的要求 2 3 自動家用拖地機結(jié)構(gòu)的組 3 3.1 自動家用拖地機結(jié)構(gòu)組成介紹 3 3.1.1 機械部分組成 3 3.1.2 控制部分組成 3 4 自動家用拖地機的總體設(shè)計 5 4.1 自動家用拖地機的行走機構(gòu)設(shè)計 5 4.1.1 自動家用拖地機輪的設(shè)計 5 4.1.2 自動家用拖地機電機和輪的設(shè)計 6 4.2 自動家用拖地機清掃結(jié)構(gòu)的設(shè)計 7 4.2.1 自動家用拖地機邊刷的設(shè)計 7 4.2.2 自動家用拖地機滾刷的設(shè)計 9 4.3 自動家用拖地機吸塵功能的設(shè)計 10 4.4 自動家用拖地機水箱和拖布的設(shè)計 11 4.5 主動輪的電機參數(shù)計算 11 4.6 清掃結(jié)構(gòu)的電機參數(shù)計算 12 5 自動家用拖地機系統(tǒng)控制設(shè)計 13 5.1 拖地機控制總體框架 13 5.2 超聲波測距電路 13 5.2.1 避障流程圖 14 5.3 驅(qū)動系統(tǒng)流程 15 結(jié) 論 16 參考文獻 17 致 謝 18 iv 1 引 言 在20世紀(jì)80年代的日本，興起了將計算機技術(shù)、機械技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)等融合為一體的單獨學(xué)科叫做機電一體化也叫機械電子工程，而智能化是21世紀(jì)機電一體化發(fā)展的一個重要的方向，如果越來越多的傳統(tǒng)工具慢慢被智能化的新工具所淘汰，而目前家庭的打掃工具主要是掃把簸箕和拖把，稍微前衛(wèi)一點的家庭還有吸塵器，這些工具共同才能維護著家里的衛(wèi)生，不僅需要手動耗費人的體力，而且還需要一定的時間。因此，在這樣的背景下，不得不出現(xiàn)一種將掃地拖地吸塵于一體化的全新智能設(shè)備問世，因此本課題設(shè)計的一款自動家用拖地機能滿足此要求。我相信自動拖把機投入國內(nèi)市場，一定會成為未來的主要家庭工具淘汰傳統(tǒng)工具。 1.1 課題研究的目的和意義 本課題所研究的自動家用拖地機，是為了解決目前現(xiàn)代人生活中沒有時間清理自己居所的衛(wèi)生問題，它能自動清理居所的衛(wèi)生問題，對于工作繁忙的現(xiàn)代工作黨來說無疑起到了巨大的作用，不僅能將自己居所的衛(wèi)生問題解決，還能節(jié)省了打掃衛(wèi)生的時間，讓工作黨每次下班回家都能有一個干凈的居所，讓自己工作一天勞累煩躁的心情在回到家里的一瞬間變好。而且，對于老人來說，年紀(jì)的增長，身體的老化，對于這種打掃衛(wèi)生的活，已經(jīng)不能駕馭了，但是有了自動家用拖地機，這一切問題都將迎刃而解。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 自動家用拖地機這一智能家居，經(jīng)過了好幾年的發(fā)展，從以前的不能全自動化，清掃不干凈，容易碰壁等問題，到了現(xiàn)在的真正的智能化拖地機。自動家用拖地機已經(jīng)進入歐美等國家的普通家庭，基本覆蓋了及大部分家庭，他們將居所的衛(wèi)生都放心的交給了它。但是對于我國來說，傳統(tǒng)的打掃工具還是占據(jù)著大部分家庭。體現(xiàn)在我國人民對于智能化的不信任，認(rèn)為這種機器并無明顯作用，并且價格相對傳統(tǒng)工具來說高出許多，因此在我國普及率不高。 2設(shè)計的目的和要求 2.1 自動家用拖地機設(shè)計的目的 隨著國家的發(fā)展和人們的生活水平日異的提高，更多的人愿意花錢去買電動機器用來解決繁重的家務(wù)?，F(xiàn)在一般的房屋，不到三天地上就會落下一層灰塵，充滿灰塵的地板不衛(wèi)生，這就需要我們時常地清理地面衛(wèi)生，再加上一些小垃圾例如毛發(fā)小碎屑這種小垃圾會時不時的掉在地板上，并且不好清掃。但在現(xiàn)在的人們工作非常艱辛，從早工作到晚，已經(jīng)身心疲憊了，根本沒有太多時間和精力去打掃自己的住所，因此，本次課題的提出就是為了解決這些問題，從一些程度上來解決人們的生活壓力 2.2 自動家用拖地機設(shè)計的要求 本文的目的是開發(fā)一種能智能清掃房間的拖地機，以充分滿足大多家庭的要求，為使用者提供一個干凈的居所，自動家用拖地機需要滿足清掃小碎屑以及毛發(fā)還有灰塵，以及拖地，并且能夠自動對所處的空間進行建模，然后計算出最佳的清理路線完成清掃，并且?guī)в屑t外線距離傳感器，測出四周空間的距離，實現(xiàn)壁障功能。 3 自動家用拖地機結(jié)構(gòu)的組 3.1 自動家用拖地機結(jié)構(gòu)組成介紹 本次的設(shè)計主題思想是設(shè)計一個控制方便、使用簡單、靈活和結(jié)構(gòu)簡單的自動家用拖地機，可以實現(xiàn)自動清潔房間，體現(xiàn)出智能化。拖地機主要有兩個部分組成，一個是機械部分，另一個是控制部分。機械部分包括了拖地機的整體機箱外殼、邊刷、驅(qū)動電機和倆個主動輪和一個萬向輪、滾筒、吸塵、水箱和拖布。 3.1.1 機械部分組成 （1）動力和輪的設(shè)計：這個部分主要是能夠使拖地機能夠在地面上移動，其中，有倆個動力主動輪以及一個萬向輪形成了一個三角形呈一個平面，這樣就能使得拖地機能夠在各個方向運動了。 （2）清掃結(jié)構(gòu)的設(shè)計：清掃結(jié)構(gòu)分別由倆個電機帶動倆個邊刷對向做旋轉(zhuǎn)運動，正面俯視圖，左邊刷順時針旋轉(zhuǎn)，右邊刷做逆時針旋轉(zhuǎn)，這樣就能夠?qū)⑺樾家约按蟛糠只覊m掃到吸塵口出達到清掃的目的。 （3）吸塵和垃圾儲存結(jié)構(gòu)的設(shè)計：由風(fēng)機產(chǎn)生強大的吸力，讓邊刷灰機的垃圾被吸入垃圾儲存箱。 （4）水箱和拖地結(jié)構(gòu)設(shè)計：當(dāng)拖地機路過的地面，垃圾和灰塵已經(jīng)被處理過后的干凈地面，這時水箱通過電磁閥，規(guī)律的向地上灑水，然后拖地機上面固定的拖布與地面接觸通過拖地機的位移來實現(xiàn)拖地的功能。 3.1.2 控制部分組成 控制部分由單片機、繼電器控制電路、各個傳感器電路、PWM調(diào)速電路、紅外接收電路以及液晶控制電路組成。 （1）單片機作為控制系統(tǒng)的核心，起到了對于各個電路的控制和各種功能的實現(xiàn) （2）繼電器控制電路是對于電磁閥以及電磁開關(guān)還有電路的斷開和閉合起到控制作用 （3）PWM調(diào)速電路實現(xiàn)了對于各個電機的調(diào)速控制 （4）紅外接收電路是拖地機壁障的重要部分 總?cè)S圖如3.1所示 圖3.1 4 自動家用拖地機的總體設(shè)計 4.1 自動家用拖地機的行走機構(gòu)設(shè)計 行走機構(gòu)是拖地機其他結(jié)構(gòu)的載體，移動機器人的行走機構(gòu)按照結(jié)構(gòu)分為了輪式、履帶式和步行式。其中，輪式和履帶式的結(jié)構(gòu)更適合在路面平坦條件好的地面上面行走，而步進式的結(jié)構(gòu)更適合在崎嶇不平條件較差的路面上行走。本課題所研究的自動家用拖地機使用的環(huán)境是室內(nèi)的方面，路面條件很好，非常平坦，因此應(yīng)該從輪式和履帶式的結(jié)構(gòu)中選擇，其中履帶式的結(jié)構(gòu)所占空間大，并且結(jié)構(gòu)方向性差，因而采用輪式移動機構(gòu)最為符合。 4.1.1 自動家用拖地機輪的設(shè)計 查閱資料得知輪式移動結(jié)構(gòu)具有三輪、四輪和六輪等結(jié)構(gòu)形式，考慮到家里空間較小并且環(huán)境簡單，因此采用三輪的結(jié)構(gòu)，設(shè)計起來相對簡單，同時也能滿足本課題設(shè)計的要求，四輪結(jié)構(gòu)和六輪結(jié)構(gòu)都有承載能力強和穩(wěn)定的特點，但是自動家用拖地機重量偏小，三輪結(jié)構(gòu)完全足以，但設(shè)計起來復(fù)雜許多，最重要的是，三輪結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的，配合前面的萬向輪可以360°轉(zhuǎn)向，這樣就可以打掃房間的各個角落了。 三輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)有以下兩種方案： （1）三輪鉸軸轉(zhuǎn)向型：如圖4.1所示，若將輪2和輪3作為驅(qū)動輪 裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，輪1則作為從動輪，而驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向控制著拖地機的運動方向。另一種則為，將鉸軸裝在輪1上，驅(qū)動輪1，而輪2和輪3來做從動輪，電機控制輪1的方向來控制小車運動的方向 （2）差速轉(zhuǎn)向型：如圖4.1所示，將輪2和輪3分別裝上倆個電機，作為驅(qū)動輪，驅(qū)動輪的速度通過電機的轉(zhuǎn)速來達到控制效果。 自動家用拖地機的使用環(huán)境是室內(nèi)，地面平坦，空間內(nèi)有多種家具，需要拖地機轉(zhuǎn)向精度高和準(zhǔn)，為了提高拖地機使用的效率，方案（1）雖然控制簡單，但是轉(zhuǎn)向精度和準(zhǔn)度不高，會存在漏掃的情況，而采用方案（2）的差速型轉(zhuǎn)向，這樣相對來說對于方案（1）來說更加符合本課題所研究的實際情況。則最終應(yīng)該定型為，輪1為萬向輪，輪2和輪3作為主動輪，其分別由一個直流電機單獨帶動。這樣就可以實現(xiàn)拖地機的轉(zhuǎn)向精度和準(zhǔn)度了。 圖4.1 4.1.2 自動家用拖地機電機和輪的設(shè)計 輪子的驅(qū)動采用直流電機，直流電機的軸上有齒輪1和輪子的齒輪2鏈接，通過齒輪傳動驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)。如圖4.1.2-1 × × 電動機 齒輪1 齒輪2 主動輪 圖4.1.2-1 4.2 自動家用拖地機清掃結(jié)構(gòu)的設(shè)計 自動家用拖地機的清掃結(jié)構(gòu)分為，邊刷和滾筒刷。邊刷的作用是將拖地機運動前方的垃圾回程通過旋轉(zhuǎn)對刷匯聚在一起，起到清掃的作用，邊刷也有個最大的毛病，對于豆子之類的能滾動的顆粒，它很可能將它們掃得到處都是，而對于比較長一點的線頭，它又有可能纏繞在一起。滾筒刷的作用是進行第二次清潔，其中包括了對一些頑固的污漬進行清潔。 4.2.1 自動家用拖地機邊刷的設(shè)計 邊刷的作用是將掃地機器人無法抵近的墻邊與解落的灰塵清掃出來。因為現(xiàn)在很多掃地機器人都采用紅外探測，對于墻壁等，為了防止碰撞，會在距離墻壁幾公分的地方停下來，這時，邊刷就起作用了 （1）第一種是用齒輪和齒輪鏈接在一起，電機通過聯(lián)軸器帶動齒輪1，齒輪2從動，齒輪2的軸通過過盈配合連接著刷子。通過電機旋轉(zhuǎn)帶動邊刷旋轉(zhuǎn)。如圖4.2.1-1所示 圖4.2.1-1 （2）第二種是電機動軸體通過聯(lián)軸器鏈接錐齒輪1，錐齒輪2和錐齒輪1嚙合在一起。錐齒輪2軸體通過過盈配合鏈接著刷子。電動轉(zhuǎn)動通過錐齒輪的鏈接帶動著刷子旋轉(zhuǎn)。如圖4.2.1-2所示 圖4.2.1-2 （3）第三種是由電機通過聯(lián)軸器帶著蝸桿，蝸桿帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪連接著皮帶，當(dāng)渦輪旋轉(zhuǎn)時帶動著皮帶運動，而皮帶輪會跟著一起旋轉(zhuǎn)，然后將皮帶輪的軸體通過過盈配合與刷子連接在一起，這樣就能讓刷子旋轉(zhuǎn)了，如圖4.2.1-3所示 圖4.2.1-3 上述三種方案中，方案三更加符合本課題的實際情況。方案一通過圓柱齒輪的方式連接，這種方案傳動不穩(wěn)定，并且所占體積過大。而方案二是錐齒輪的鏈接方式，這種方案雖然相對方案一來說更加穩(wěn)定，但是，也存在占用體積過大的問題。而方案三的優(yōu)點在于能減小渦輪和蝸桿的中心距，還能降低拖地機的總質(zhì)量，因此方案五更加符合本課題的要求。 4.2.2 自動家用拖地機滾刷的設(shè)計 滾刷位于掃地機器人的底部，一般在吸塵口的前方，掃地機器人哪個牌子好主要作用是將位于掃地機底部的灰塵掃起，讓灰塵通過吸塵口的進入集塵盒。它能將部分粘在地面的臟物清掃干凈，對于提升掃地機器人的清掃效果來說，是比較顯著的。 （1）一字形滾刷是在滾筒上一周覆蓋著一排排毛刷，呈一字型 （2）S型滾刷是在滾筒上一周覆蓋多次S型毛刷。 一字型滾刷很容易將灰塵拋到機器外部，而S型滾刷有聚攏效果，灰塵不易分散，因此清潔效率高。因此選擇S型滾筒。 此外，滾刷整體越長，單位時間內(nèi)的清掃面積就越大；刷毛越密集，細(xì)小灰塵越不容易被遺漏；掃地機的刷毛長短也決定其能否深入地面縫隙，將縫隙里的灰塵揚起，從而由吸塵電機吸入。此外，刷毛的細(xì)膩程度也影響著掃地機的清潔效率，刷毛越細(xì)膩，清潔效率越高。因此，一個好的滾刷，要具備特殊型設(shè)計，V型、S型滾刷有聚攏效果為佳，滾刷長度可以長一些，刷毛盡量不要太短，盡量密集、細(xì)膩一些。毛刷的密集程度很重要，如果毛刷比較稀疏、單個毛刷孔之間的間距設(shè)計的較大時，將導(dǎo)致清理微小的粉塵時嘗嘗束手無策。拿面粉舉例，如果面粉在機器的正下方，（邊刷接觸不到面粉，無法將面粉揚起來供吸塵電機吸入），此時若刷毛稀疏，單個刷毛孔間距較大，則清潔效率會降低，甚至有大量面粉無法被吸入。同時，如果刷毛太軟，在地毯上清潔的時候，可能會吃虧。由于在地毯上摩擦力較大，將造成滾刷不能有效的將垃圾拾起推送到吸塵口，直接導(dǎo)致在地毯上的清潔率較差。 4.3 自動家用拖地機吸塵功能的設(shè)計 吸塵器的工作原理是吸塵器電機高速旋轉(zhuǎn)，從吸入口吸入空氣，使塵箱產(chǎn)生一定的真空，灰塵通過地刷、接管、手柄、軟管、主吸管進入塵箱中的濾塵袋，灰塵被留在濾塵袋內(nèi)，過濾后的空氣再經(jīng)過一層過濾片進入電機，這層過濾片是防止塵袋破裂灰塵吸入電機的一道保護屏障，進入電機的空氣經(jīng)電機流出，由于電機運行中碳刷不斷的磨損，因此流出吸塵器前又加了一道過濾。如圖4.3-1所示 圖4.3-1 圖4.3-1，將風(fēng)機放在垃圾儲藏室的正上方緊緊接觸在一起，中間有一層過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)分為一層灰塵過濾網(wǎng)過濾頭發(fā)大點的垃圾和灰塵顆粒、一層海帕過濾網(wǎng)過濾空氣中細(xì)小的微塵和毛發(fā)。這樣盡可能的保證了從地面吸進來的灰塵和垃圾都被過濾掉，空氣又恢復(fù)了清新的樣子。然后被過濾的空氣由上面放的圓孔排除，這樣既能保證內(nèi)外的氣壓，還能將機器內(nèi)各種部件產(chǎn)生的熱量排出。 4.4 自動家用拖地機水箱和拖布的設(shè)計 雖然市面有掃拖一體的掃地機有很多，但大部分的安裝及使用都不方便，比如需要把掃地機翻轉(zhuǎn)過來、對準(zhǔn)孔眼才能安裝，用過幾次也就懶得用了，對比之下，我們掃地機規(guī)劃的濕拖結(jié)構(gòu)設(shè)計，水箱上有兩個濾芯，基于毛細(xì)原理，它們會自動從水箱吸水，注水后拖布很快就會被浸濕。另外水箱也非常注重細(xì)節(jié)設(shè)計，比如拖布和水箱的貼合處用的是插槽設(shè)計，拖地的時候不會卷邊。濕拖后的地板并沒有留下明顯的水漬，基本上是即拖即干，另外從濕拖后的拖布來看，只有與主刷等寬的地方采用纖維設(shè)計，確保即將進行濕擦的地板上沒有垃圾灰塵，這樣拖完后地板不會像個大花臉。 毛細(xì)原理滲透拖布 4.5 主動輪的電機參數(shù)計算 （1）本課題設(shè)計的自動家用拖地機預(yù)計重量為5KG左右，因此拖地機重量G=5*9.8=49 N。拖地機的重量由一對主動輪和一個萬向輪共三個輪共同支撐，因此，每個輪子分配的力 F=49/3=16.3 N。輪子我們所采用的材質(zhì)為橡膠，因此，我們?nèi)?1 ，=0.1，則滾動摩擦力=F=116.3=16.3 Nm，則滑動摩擦力f=F=16.30.1=1.63 N。自動拖地機底部距離地面大概10mm，因此，設(shè)計輪子的直徑D為90mm，則半徑R=D/2=45mm，當(dāng)拖地機運動是，輪子所受到的阻力矩：=fR+=1.630.045+0.0163=0.09 Nm 。 （2）工作時所要求的功率：=9550， 其中=0.09 Nm =601000D=600.5100090=106.2 r/min。 取=0.8， 所以=0.09106.2100095500.8=1.25W，因此電機需要輸出的功率為：=，其中===0.8047 。是彈性聯(lián)軸器傳動效率，為軸承傳動效率，為齒輪嚙合攢動效率。因此，電機所需的輸出功率為 ==1.25/0.8047=1.55 W （3）電機所需要的功率差不多在1.55W左右，又因為自動拖地機的轉(zhuǎn)彎原理本課題使用的是差速電機，通過差速電機分別控制單個的主動輪，來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎， 因此，我們應(yīng)該選用具有調(diào)速功能的直流電機，根據(jù)我們所求的電機輸出功率，查閱淘寶選用一款型號為“信達 XD37GB555”的直流電機作為驅(qū)動輪的電機，該電機的輸出功率為3W，調(diào)速范圍是10-600r/min，能驅(qū)動60斤的重物，完全能夠滿足本課題所涉及的拖地機。 4.6 清掃結(jié)構(gòu)的電機參數(shù)計算 自動家用拖地機的工作場地為室內(nèi)，需要清掃的垃圾主要為毛發(fā)和灰塵以及一些狹小的碎屑，因此對于邊刷的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速來說不需要過大，150r/min-180r/min的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)清掃，為了設(shè)計的簡單化，將皮帶輪的傳動比設(shè)計為比1，即皮帶輪的轉(zhuǎn)速為邊刷的轉(zhuǎn)速，設(shè)計渦輪蝸桿的傳動比為20，因此我們選用的電機的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)該在3000-3600r/min。查閱淘寶可知，我們選用了90SZ001這款電機，轉(zhuǎn)速為3000r/min，功率為12瓦特，而且它的尺寸又不大，適合我們拖地機本來空間就很緊湊的設(shè)計，因此，選用它，作為邊刷的驅(qū)動電機。 5 自動家用拖地機系統(tǒng)控制設(shè)計 5.1 拖地機控制總體框架 超聲波測距電路 圖5.1-1 如圖5.1-1所示，本課題設(shè)計的自動家用拖地機，是由幾個部分來實現(xiàn)控制的，單片機作為主體部分，來計算和控制其他電路和部分的工作實現(xiàn)各種功能，其中，液晶顯示電路能夠?qū)崿F(xiàn)一些基礎(chǔ)的信息顯示，包括了，拖地機的電量，邊刷的實時轉(zhuǎn)速等基本功能顯示，看門狗電路在于系統(tǒng)糾錯，PWM調(diào)速電路控制著倆個主動輪的電機和邊刷的電機的調(diào)速功能，超聲波測距電路，在于拖地機運動時的避障，利用超聲波的原理來測量拖地機前方障礙物的距離，通過復(fù)雜的系統(tǒng)編程設(shè)計，多少米的時候?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向等等來實現(xiàn)避障。本課題主要設(shè)計超聲波測距電路。 5.2 超聲波測距電路 超聲波的主要原理是，定時器產(chǎn)生40K Hz的方波然后由相應(yīng)的控制芯片，調(diào)制解調(diào)將40K Hz的方波震蕩，形成波發(fā)射出去，然后波經(jīng)過障礙物的阻擋，反彈回去，然后有接收電路，檢測到反彈回來的波，經(jīng)過放大器放大信號，然后將此次過程計時，通過相應(yīng)的控制芯片，然后將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳送給單片機，計算出拖地機和前方最近的障礙物的距離，然后判斷接下來的路徑。電路如圖5.2-1所示 圖5.2-1 5.2.1 避障流程圖 流程圖如5.2.1-1所示，該流程圖是自動拖地機清掃地面時的壁障程序流程圖。 （1）超聲波測距電路，產(chǎn)生振動聲波向外發(fā)射，當(dāng)超聲波遇到了障礙物會被反彈回來，被聲波接受管給接受，產(chǎn)生一個與聲強之對應(yīng)的電路，然后電路經(jīng)過放大器發(fā)大后，輸出了一個模擬電壓，經(jīng)過模擬信號轉(zhuǎn)數(shù)字信號（A/D）后輸入給單片機。 （2）然后經(jīng)過接觸傳感器，判斷其障礙物是否是可清掃的垃圾，如果是垃圾類的，則單片機發(fā)出清掃的命令，驅(qū)動邊刷電機清掃，執(zhí)行清掃命令，垃圾被清理后，繼續(xù)等待接受超聲波的信號 （3）若接觸傳感器判斷該障礙物為墻壁等類似障礙，此時累加器累加判斷為墻角的次數(shù)。 （4）判斷墻角障礙的累加次數(shù)的奇偶性來調(diào)節(jié)差速電機調(diào)整前進方向，若為奇數(shù)，則控制電機調(diào)速模塊來控制左右輪的速度，使其左后轉(zhuǎn)然后前進。若判斷為偶數(shù)，則反過來，使其往著有后轉(zhuǎn)方向前進。這種清掃方式，能夠使拖地機的行進路徑為蛇形，因此有著一定的清掃效率。 圖5.2.1-1 5.3 驅(qū)動系統(tǒng)流程 首先是系統(tǒng)初始化工作，包括了以下部分，設(shè)置定時器、啟動A/D轉(zhuǎn)換器、寄存器、配置GPIO。然后檢測GPIO的啟動信號，當(dāng)檢測到啟動信號后，從另一個GPIO發(fā)出控制信號給直流電機加電。從A/D轉(zhuǎn)換器讀取電流信號數(shù)據(jù)，然后通過求平均值得到電機的電流值，對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進行FFT變換，求出基波的頻率，在根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速，最后把轉(zhuǎn)速和測試電流送給液晶顯示系統(tǒng)顯示拖地機的行進速度，啟動總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C，對數(shù)據(jù)進行保存和分析,如圖5.3-1所示。 圖5.3-1  結(jié) 論 本課題主要研究了自動家用拖地機的幾個結(jié)構(gòu)的選擇優(yōu)劣勢，然后對于電機選取的參數(shù)計算，以及對控制部分超聲波壁障電路和對于自動家用拖地機在實際清掃時的工作路徑的設(shè)計。雖然研究的與現(xiàn)在市場上全智能化的拖地機比起來功能簡單缺點很多，但是通過本次畢業(yè)設(shè)計我感觸頗深。社會總是在進步的，二十一世紀(jì)一定是智能化的時代，我們傳統(tǒng)的一些東西也許都將會慢慢被新的工具取代，例如本課題所設(shè)計的自動拖地機，與傳統(tǒng)的工具相比，它優(yōu)點實在是太多了，完全就像是一個管家，專門管理著家里的衛(wèi)生一樣，因此，在我國，傳統(tǒng)的工具被淘汰只是時間問題，相比于本課題所涉及的壁障系統(tǒng)，現(xiàn)在市場上面新推出的自動拖地機，能夠?qū)κ褂玫沫h(huán)境空間進行建模，通過算法計算出效率最高、最佳的清理路線，無疑是非常的智能了，因此本次的設(shè)計還是有許多許多改進的地方，通過本次的畢業(yè)設(shè)計，我清楚的了解到知識的重要性，知識的進步就是時代的進步。我相信在未來智能家居一定會普及到每一個家庭，不僅僅是打掃衛(wèi)生這一方面，因此我國應(yīng)該大力的發(fā)展智能家居，讓我國在世界上成為智能家居普及國的領(lǐng)頭羊。 參考文獻 [1]王三武,劉進.清掃機器人移動驅(qū)動機構(gòu)的研究[J]. 機械制造與自動化. 2008(05) [2]張野,李彬.電動式自潔拖地機設(shè)計[J]. 大眾科技. 2015(01) [3]袁新梅,蔡飛,王行江,廖建敏,曾運運.一種家用清潔掃地拖地機的設(shè)計[J]. 長江大學(xué)學(xué)報(自科版).?2014(04) [4]潘玉榮,何志武,伍竹清.自動拖地機換抹布控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報. 2012(09) [5]王為，汪建曉.機械設(shè)計（第二版）[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2011. 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Mapping and Navigation）來完成壁障的功能，它的原理是是通過激光測距的方法生成室內(nèi)地圖，在此基礎(chǔ)上合理地規(guī)劃清掃路線，而不是試探著撞來撞去，用戶直觀的感受是，它看起來比較聰明。其實現(xiàn)原理是：它的頂端設(shè)置有一個可旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射頭和配套接收器，通過發(fā)射激光掃描自身到邊界每個點的距離，從而生成數(shù)字地圖，還能根據(jù)屋內(nèi)家具位置的變化實時進行更新。目前市場上采用這套壁障系統(tǒng)的是Neato掃地機器人。 掃地和吸塵和2個由起塵刷將前方的塵土已經(jīng)垃圾通過旋轉(zhuǎn)對刷匯聚，然后由后面緊接著的風(fēng)機吸進去，完成掃地和吸塵的工作。 拖地則是由2個棘輪帶動的一個拖布卷，上方由若干個彈簧機構(gòu)根據(jù)地面反饋力的大小自動調(diào)節(jié)松緊。水箱帶有電磁水閥，工作時，芯片某部分周期性加電，來灑水。 課題類型： （1）A—工程實踐型；B—理論研究型；C—科研裝置研制型；D—計算機軟件型； E—綜合應(yīng)用型 （2）X—真實課題；Y—模擬課題； （1）、（2）均要填，如AY、BX等。 本課題研究的實施方案、內(nèi)容 主要研究自動家用拖地機的功能，以及各個模塊的基本原理和實現(xiàn)的硬件設(shè)備。 1.控制芯片 市面上已經(jīng)有很多種類的芯片方案來控制自動拖把機。采用 CPLD/FPGA復(fù)雜可編程邏輯器件或51單 片機作為控制器的方案使用較多。而考慮到家用自動拖地機的控制部分要求自動化 集成度高、可靠性強以及操作維護方面等 特點，從經(jīng)濟型和實用性上，系統(tǒng)選用美國 INTEL公司自主研發(fā)AT89S51單片機作為控制核心。 自動拖地機是一款集自動拖地、換抹布、灑水、蔽障為一體的服務(wù)型機器。它以單片機 為控制核心，通過直流電機驅(qū)動 板控制電機的正、反轉(zhuǎn)和速度，從而實 現(xiàn)小車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、變速以及換布 裝置的自動換布與自鎖；通過控制繼電器 的開合來控制水泵的得電與失電，從而實 現(xiàn)拖地機的定時灑水功能；借助紅外模塊 來實現(xiàn)自動蔽障功能。 2.自動換抹布機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 自動換抹布系統(tǒng)最大特點在于拖布在 拖行一段時間后能夠?qū)⑴K的部分自動卷 起，用干凈的部分替換臟的部分，以實現(xiàn)一 塊拖布的充分利用，提高了抹布的利用率。 當(dāng)整個拖地過程結(jié)束后，拖布還能夠從軸 上取下，進行清洗，以方便下次拖地。其實 現(xiàn)有兩種方案： 方案1：利用6方筒來實現(xiàn)換抹布。將 6 方筒與直流電機用聯(lián)軸器連接起來，把首 尾縫合的抹布緊套在6方筒上，通過的直流 電機的運轉(zhuǎn)使6方筒旋轉(zhuǎn)，讓其不同的面與 地面接觸來達到換抹布的目的。但是此種方法所占體積大，而且要精確的使電機轉(zhuǎn) 過一定角度，還要在每次旋轉(zhuǎn)時都要將6方筒抬高，以避免與地面卡死，因此這種方法 比較復(fù)雜。 方案2：利用直流電機和棘輪機構(gòu)實現(xiàn) 更換抹布。把主動軸和直流電機用聯(lián)軸器連接起來，從動軸與棘輪機構(gòu)連接起來。將抹布的兩端各繞在兩根轉(zhuǎn)軸上，通過直流 電機的運轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，繼而使抹布在 一根轉(zhuǎn)軸上卷進來，在另一根轉(zhuǎn)軸上卷出 達到換抹布的目的。電機在轉(zhuǎn)動一定時間 后，利用其自鎖功能和棘輪機構(gòu)達到抹布 鎖定的目的。綜合考慮后我們選擇方案2。 本課題研究進度安排 要求： 1、收集資料（相關(guān)書籍5本以上，文章10篇以上）； 2、查閱相關(guān)資料，確定拖地機的系統(tǒng)方案； 3、用PRO/E畫出機械結(jié)構(gòu)三維圖； 4、實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)的組裝； 5. CAD畫出總體裝配圖； 6．設(shè)計其控制電路，實現(xiàn)控制電路； 6、撰寫論文要符合要求； 7、翻譯3000字左右的英文文章一篇。 進度： 1）、1—6 周，主要進行畢業(yè)設(shè)計準(zhǔn)備工作，熟悉題目，收集資料，進行畢業(yè)實習(xí)，明確研究目的和任務(wù)，構(gòu)思總體方案； 2）、7—10周，繪制相關(guān)圖紙； 3）、11—13周，收尾完善，編寫畢業(yè)設(shè)計論文，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯。 3 電機驅(qū)動板的選型 電機驅(qū)動板有采用H橋電路的電機驅(qū)動 模塊、L298N的電機驅(qū)動模塊或SM6235W電 機遙控驅(qū)動模塊的三種選擇方案。采用H 橋電路的電機驅(qū)動模塊電路不能夠驅(qū)動大 功率電機，并且電路暴露在外部導(dǎo)致穩(wěn)定 性不高[3]。采用SM6235W電機的遙控驅(qū)動 模塊其采用的是編碼輸入控制，而不是電 平控制，這樣在程序中實現(xiàn)比較麻煩，且電 機模塊價格比較高。采用L298N的電機驅(qū) 動模塊具有高集成度、高功率的特點，可以 驅(qū)動大的負(fù)載，如大功率直流電機，步進電 機等，較少的外圍電路（僅需要保護用的二 極管）便可以很好地驅(qū)動大功率的電機。其 輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方 便地受單片機控制。當(dāng)驅(qū)動直流電機時，可 以直接控制兩路電機，并可以實現(xiàn)電機正 轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的 邏輯電平。而且此模塊體積小、驅(qū)動能力 強、散熱好、性能穩(wěn)定，并且可以使輸出動 力更強勁，承載能力更好。綜合上面三個方 案，我們選擇L298N作為我們的電機驅(qū)動 板。L298N為15個管角的單塊集成電路，高 電壓，高電流，四通道驅(qū)動，設(shè)計用L298N 來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性 負(fù)載(比如繼電器，直流和步進馬達)和開關(guān) 電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電 路。根據(jù)設(shè)計要求，，便可給[P_IOA_DATA]傳送數(shù)據(jù)，從而控制轉(zhuǎn)向電機和驅(qū)動電機。 單片機和L298驅(qū)動器組成的直流電機控制 電路具有以下優(yōu)點：使用元件少，組件的損 耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡單，并 且計算機(或單片機)硬件費用大大減少。其 結(jié)構(gòu)圖和連接圖圖3所示： 系統(tǒng)將圖中L289芯片的IN2取反后和 IN1信號連接到一起接到單片機電機1的方 向控制引腳上，EA則直接連到單片機引腳 上，單片機使用PWM模塊控制電機1的啟 動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。同理IN3、IN4、EB 同理和單片機引腳相連，然后用于控制電機2。L298芯片的9號引腳VS用于輸入直流 電機的驅(qū)動電壓。因為系統(tǒng)選用的額定電 壓為12V的直流電機。因此圖中VS直接連 到12V電壓 4 自動換抹布程序設(shè)計 要實現(xiàn)自動拖地機的自動換抹布功能 就是要實現(xiàn)直流電機的驅(qū)動。如上所述，系 統(tǒng)選用L298作為電機的驅(qū)動芯片，其邏輯 功能如表1所示。 系統(tǒng)采用PWM控制模塊控制脈沖占空 比，從而達到單位時間內(nèi)對加載在電機兩端電壓平均值大小的控制。在單位時間內(nèi) 加載在電機兩端平均電壓越大，則電機轉(zhuǎn) 動速度越快，否則越慢。單片機將產(chǎn)生的 PWM信號輸出到L298芯片的EA和EB引 腳，達到控制電機速度的目的。因為單片機 的電機方向控制引腳是跟L289芯片的IN2 取反后和IN0信號連接到一起實現(xiàn)電機的 方向控制，因此當(dāng)單片機方向控制引腳輸 出高電平，則電機正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。單片機 的部分電機控制流程圖如4所示： 當(dāng)小車開始工作，首先小車檢測前方 是否有障礙，若沒障礙，單片機控制小車前 行拖地；若前方有障礙，通過紅外模塊將信 息反饋給單片機，單片機控制小車先后退 一定距離然后拐彎，實現(xiàn)蔽障的功能。在小 車工作中單片機通過定時器控制小車的定 時換布與灑水，在這之外小車的換布裝置 處于自鎖狀態(tài)。 已查閱的主要參考文獻 [1]潘玉榮,何志武,伍竹清. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報[J] 2012 NO.25. 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