CN2565058Y

CN2565058Y - 智能家用清扫机

Info

Publication number: CN2565058Y
Application number: CN 02256566
Authority: CN
Inventors: 李果
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2003-08-06
Anticipated expiration: 2012-09-26

Abstract

家用智能清扫机，包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关；接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有二台直流电动机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。智能家用清扫机的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所有可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。

Description

智能家用清扫机

技术领域：

本实用新型涉及一种清扫机，具体涉及一种智能家用清扫机，属于国际专利分类B25J11/00“机械手”技术领域。

背景技术：

目前的家庭清洁还很难实现智能化，一般仅使用普通的手动清洁装置，而现代家庭需要清洁的面积越来越大，家庭成员又越来越忙，十分需要智能型的清洁装置。

发明目的：

本实用新型的目的，是提供一种能自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面清扫除尘任务的智能家用清扫机。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种智能清扫机，其组成包括：计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部设有超声波传感器，共设有三个超声波距离传感器，分别安装于清扫机顶部的正前方、正左方和正上顶方；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关；接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有二台直流电动机，分别驱动左右两边的两个轮子；在清扫机的底部安装有吸尘器机构，其吸尘口在底部与左侧边沿对齐，口径10厘米，通过继电器控制吸尘器工作电源开关。

超声波传感器设有的超声波探头，可以发射和接收，其最大感应距离为6m，最小感应距离0.15m，模拟量输出，电缆连接。

接近开关输出开关信号，可感应的距离为15mm。

电源为蓄电池提供，直流电压24V。可保证持续工作时间大于4小时。

吸尘器机构口径10厘米。由继电器控制吸尘器工作电源开关；继电器由主单片机的I/O开关信号输出控制。

清扫机设有总电源开关、吸尘器工作开关和手控、遥控与自控工作转换开关，设有电位计在转换开关处于手控位置时控制物体走动轨迹。

智能清扫机计算机控制系统硬件配置如下：

(1)主单片机采用8098测控板

该单片机控制系统完成清扫机导航控制任务，可以与PC机相连，其中有：四路8位A/D，即AD₁，AD₂，AD₃，AD₄；二路8位D/A，即DA₁，DA₂；八路开关量I/O输入，即DI₀～DI₇；七路开关量I/O输出，即DO₀～DO₆；设置两路D/A通道，其中一路由PWM(P2.5)引脚提供，另一路由HSO.O引脚提供；PWM引脚输出脉冲信号，其周期固定为64us(12MHZ时钟)，脉冲占空比可变，取决于PWM寄存器的值；HSO提供的脉冲信号，其周期和占空比都可变，需向HSO的按内容寻址存储器CAM写入2个数据，一个数据使HSO..O变为高电平，另一个数据使HSO..O变为低电平，定时器作为HSO中事件触发的时间基准；本系统中PWM引脚和HSO.O用于提供二路D/A输出直流模拟信号，经功率放大后可用于控制清扫机左、右两边的二台直流电机；

(2)从单片机8098最小系统

由CPU，74LS373，EProm2764等组成，完成测量计算清扫机与房间的前、左、上方墙壁之间的距离；二个单片机系统通过串口相互间进行通讯。

清扫机正确导航的完成是从单片机系统装备距离测量系统给出清扫机自身到墙壁或障碍物之间的距离信息。

其遥控系统设有单按键红外遥控器控制两路负载的通断。

本实用新型智能家用清扫机的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能如下：

1.能自动走遍所有可进入的房间。

2.可以自动清扫吸尘。

3.可在遥控和手控状态下清扫吸尘。

附图说明：

图1为主8098单片机测控接口板线路图；

图2为从8098单片机串口通讯最小系统线路图；

图3为计算机控制器系统框图；

图4为清扫机外观示意图；

图5为从8098单片机超声测距电路图(三路)；

图7a为红外遥控发射电路图；

图7b为红外遥控接收电路图；

图8为功率放大电路图(一路)；

图4中：1.超声波传感器，2.接近开关传感器，3.吸尘器吸口。

具体实施方式：

家用智能清扫机，其组成包括：计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等。超声波传感器位于清扫机顶部，清扫机共有三个超声波距离传感器，分别安装于清扫机顶部的正前方、正左方、正上顶方。其所用的超声波探头既可发射，也可接收，最大感应距离6m，最小感应距离0.15m，模拟量输出，电缆连接。

在清扫机底部的前方边沿安装有5个接近开关。该接近开关可感应距离为15mm，输出开关信号。与超声波距离传感器一起构成清扫机测距系统。

清扫机装有二台直流电动机，控制信号经功率放大后，控制左右两台电机，经减速器分别驱动清扫机左、右两边的两个轮子。该电机的控制信号由主单片机8098给出，经功率放大后，控制电机适时以合适的速度正转或反转。每台电机功率120W。

该清扫机使用蓄电池电源，提供直流电压24V。可保证持续工作时间在4小时之上。

在清扫机底部安装有吸尘器机构。吸尘口在底部与左侧边沿对齐，口径10厘米。由继电器控制吸尘器工作电源开关。继电器由主单片机的I/O开关信号输出控制，继电器吸合，吸尘器机构可以工作。继电器断开，吸尘器不能工作。使用时遥控器可通过控制J₁，J₂线圈导通，J₁可控制清扫机电源上电，清扫机启动工作。当J₂线圈闭合或断开时，主单片机8098检测到后，控制吸尘机构上电或断电。

开关：清扫机设有总电源开关、吸尘器工作开关、手控与自控工作转换开关。

电位计：当手控与自控工作转换开关处于手控位置时，绕物体走动电位计可控制清扫机以其左侧绕物体走动并保持指定的半径距离，可正转，也可反转。这取决于电位计给出信号的正负。指定距离电位计给出清扫机与目标对像之间的指定距离18厘米~38厘米。前进倒退电位计，可控制清扫机直线前进和后退。见图15。

显示：蓄电池电压显示、吸尘器工作显示等。

清扫机外观：清扫机外观呈圆柱形，底部有4个轮子。外面装有超声波测距传感器三个和接近开关五个。见图4。吸尘机构的吸头在清扫机底部中间偏左，与左边沿对齐。外形尺寸横截面直径36厘米，高30厘米。

超声波测距系统：

为了给清扫机正确导航，使其能准确按指定要求工作，必须装备距离测量系统以使其能及时获取自身到墙壁或障碍物之间的距离信息，这一部分的任务由从单片机系统完成。见图5。

1.超声波测距原理

超声波在空气中的传播速度为340米/秒。因此，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是时间差测距法。具体原理如下：

发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物(或墙壁)就立即返回来，接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从清扫机到障碍物间的来回传播时间t，从而清扫机发送器到障碍物之间距离可用下式计算出来：

s＝vt/2

测距系统的电路设计：超声波控头是压电式换能器，即可发送，也可接收。收发器采用工业用集成电路LM1812超声波收发器；控制器采用Intel8098单片机为核心组成的最小应用系统。主要完成确定三个换能器的轮流工作，发射时间控制、距离计算和与主单片机相互串口通讯等工作。见图5。LM1812超声波收发器是一个工业用集成电路。可用在各种各样的测距、定向和通讯应用中。芯片上包括一个脉冲调制C类发射器、一个高增益接收器、一个脉冲调制检测器和噪声抑制电路。其中管脚1外接LC网络为发射器和接收器定下工作频率。管脚8是一个控制端，执行把LM1812切换成发射模式还是接收模式的功能。当8脚为高电平时，芯片就处于发射模式；当8脚保持低电平时，芯片就处于接收模式。管脚16提供了一个与CMOS相兼容的逻辑输出，只要发射波或接收回波的电压超过1.4V_p-p，检测器就动作，使16脚变为低电，否则就变为高电压。显然若能记下此管脚两次变为低电平的时间，就可知道从发射到接收到回波这段时间；也就是超声波来回传播的时间，从而就可知道其传播的距离；管脚14的功能同管脚16。在图中管脚14作为一个功率输出端。

用8098单片机的HSO控制LM1812的工作模式，即提供LM1812的8号管脚所需的控制信号，用8098单片机HSI记录LM1812发射超声波的时刻和其接收到回波的时刻。具体硬件电路见图5所示。因超声波在空气中以40KHZ的频率传播时的传播效率最高，所以外接的LC网络其振荡频率40KHZ，所选用的压电式换能器其振频率也为40KHZ。

测距系统软件设计：软件分为两部分，即主程序和中断服务程序。见图6。主程序完成初始化工作，各路超声波发射和接收顺序控制及记录超声波的发射时刻。中断服务程序主要完成时间值的读取，距离计算、结果输出显示等工作。

图5中超声波测距系统的测量距离可达6米，其最大误差＜0.5cm且重复性较好。图中只给出了三路线路图。

主从单片机系统之间的通讯：

清扫机控制系统有二套基于8098单片机系统，分别为主单片机系统和从单片机系统。主单片机系统完成清扫机导航控制任务，从单片机系统完成超声波测量计算距离任务。二者之间通过串口通讯实现数据交换。具体说就是从单片机系统计算出清扫机左、前、上三个方向的距离值后，每隔1秒钟时间将距离测量值(d左、d前、d上)送给主单片机系统，供其导航控制清扫机。主从单片机系统通讯的硬件连线见图3。其中发送端、接收端和地线这三条线是必须连接的。发送、接收程序见框图7。采用串口中断方式通信，即数据的接收和发送是通过响应串行口中断之后执行中断服务程序来实现的。

单按键红外遥控器：本遥控系统仅用一个按键可控制两路负载的通、断。工作原理如下：

1.发射器

图7(a)所示为发射器电路原理图，其中38KHZ的键控振荡器由与非门NA₁、NA₂组成。在开关S闭合后，NA₁、NA₂启振，其输出通过NA₃、NA₄缓冲后驱动V₁增流，最后驱动红外发光管SE303以红外光形式辐射。如果S是连续闭合，则SE303A连续输出由38KHZ调制的红外光；如果S是点动闭合，则SE303A断续输出红外光。

2.接收器

图7(b)为接收器原理图。图中IC组成红外接收、予放和解调电路。N₁、N₂、与ES₁、N₄、N₅与ES₃组成脉冲与直流电平识别电路，ES₂、N₃与ES₄、N₆组成双稳态开关，V₁、V₂用于驱动J₁、J₂，其触点输出直接与主单片机系统的I/O输入端相连接。

脉冲与直流电平识别电路的工作过程是：当IC₁的7脚输出脉冲信号时，将使N₂输出低电平，进而ES1截止而输出高电平。由于R₅，C₆的充电时间长，C₈，D₃的放电时间短，因此，C₈上的电压始终达不到N₅的V_TH，使得N₅的输出保持高电平，而ES₃输出低电平。当IC的7脚为低电平时，N1反相输出高电平，由于C₆有隔直作用，且一次脉冲上跳沿不足以使C₇上的电压达到V_TH水平，因此，N₂输出保持高电平而ES₁导通输出低电平，而N₄反相输出的高电平经R₆对C₈充电后，即可使C₈上电压达到V_TH值，使N₅输出低电平，ES₃截止并输出高电平。双稳态电子开关工作过程是：平时电路由R₉、R₁₀将N₃的输入端偏置于(1/2)V_DD电压，N₃的输出维持原态(“0”或“1”)。当ES1由导通转向截止时，输出一个高电平，其上跳沿使ES₂导通，假定原来的N3输出为“0”，C9上的电压为0，则ES2导通时N₃的输入电平瞬时为“0”，这样N3的输入电压小于V_TL(低触发闽值)，N₃翻转输出“1”；当ES₁输出的高电平结束时，ES₂截止，此时N₃的输入电压回到(1/2)V_DD，由此可见，总有V_TL＜(1/2)V_DD＜V_TH关系成立，所以N₃保持输出高电平，此时C₉经R₁₃充电至高电平；当ES₁输出至第二高电平时，ES₂瞬时通导，N₃的输入电平为“1”，即输入电压大于V_TH，这时N₃翻转输出“1”：同样，当ES₁输出的高电平结束时，N₃保持输出高电平，ES₄、N₆等元件组成的双稳态电子开关的工作原理与上述相同。

这样，当发射器按键S闭合时，接收器的IC1脚7为低电平，ES₃截止，N₆翻转输出“1”，J2吸合；当再次闭合S时，N₆翻转输出“0”，J₂释放。当点动发射器S时，接收器IC₁的脚7解调出脉冲信号，ES₁截止，N₃输出“1”，J1吸合，当第二次点动S时，N₃输出“0”，J₁释放。这样即实现单按键控制双通道负载通断的过程。在实际应用时，闭合发射器S达2秒后，J₂即吸合(或释放)；点动S达三次，J₁即吸合(或释放)。

在清扫机系统中，J₁线圈控制清扫机的电源回路。当J₁吸合时，电源接通，系统上电。当J₁释放时，电源回路断开。而J₂线圈与主单片机系统的I/O输入端相连。主单片机系统检测到J₂吸合时，即输出信号使吸尘器机构工作。当J₂释放时，主单片机系统输出信号断开吸尘器机构，使吸尘器机构不工作。

智能家用清扫机的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所有可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。

Claims

1、一种智能清扫机，其组成包括：计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、操作电位计等，其特征在于：在清扫机的顶部设有超声波传感器，共设有三个超声波距离传感器，分别安装于清扫机顶部的正前方、正左方和正上顶方；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关；接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有二台直流电动机，分别驱动左右两边的两个轮子；在清扫机的底部安装有吸尘器机构，其吸尘口在底部与左侧边沿对齐，口径10厘米，通过继电器控制吸尘器工作电源开关。

2、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：超声波传感器设有的超声波探头，可以发射和接收，其最大感应距离为6m，最小感应距离0.15m，模拟量输出，电缆连接。

3、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其接近开关输出开关信号，可感应的距离为15mm。

4、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其电源为蓄电池提供，直流电压24V，可保证持续工作时间大于4小时。

5、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其吸尘器机构口径10厘米，由继电器控制吸尘器工作电源开关；继电器由主单片机的I/O开关信号输出控制。

6、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其设有总电源开关、吸尘器工作开关和手控、遥控与自控工作转换开关，设有电位计在转换开关处于手控位置时控制物体走动轨迹。

7、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其计算机硬件配置如下：

(1)主单片机采用8098测控板

该单片机控制系统完成清扫机导航控制任务，可以与PC机相连，其中有：四路8位A/D，即AD₁，AD₂，AD₃，AD₄；二路8位D/A，即DA₁，DA₂；八路开关量IO输入，即DI₀～DI₇；七路开关量IO输出，即DO₀～DO₆；设置两路D/A通道，其中一路由PWM(P2.5)引脚提供，另一路由HSO.O引脚提供；PWM引脚输出脉冲信号，其周期固定为64us(12MHZ时钟)，脉冲占空比可变，取决于PWM寄存器的值；HSO提供的脉冲信号，其周期和占空比都可变，需向HSO的按内容寻址存储器CAM写入2个数据，一个数据使HSO..O变为高电平，另一个数据使HSO..O变为低电平，定时器作为HSO中事件触发的时间基准；本系统中PWM引脚和HSO.O用于提供二路D/A输出直流模拟信号，经功率放大后可用于控制清扫机左、右两边的二台直流电机；

(2)从单片机8098最小系统

8、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：清扫机正确导航的完成是从单片机系统装备距离测量系统给出清扫机自身到墙壁或障碍物之间的距离信息。

9、根据权利要求1所述的智能清扫机，其特征在于：其遥控系统设有单按键红外遥控器控制两路负载的通断。