机器人吸尘器设计报告

摘要:根据人类快节奏生活环境的需要，在传统吸尘器的基础上运用了传感器技术，51单片机控制，全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来,实现室内环境的清洁,替代传统繁重的人工清洁工作,近年来已受到国内外的研究重视。

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，对墙壁等进行判断；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，从而实现行走转向等功能；通过红外线热释电传感器对人的活动进行检测，减少人对吸尘器行走的影响。在吸尘器行走的同时，由其自身携带的吸尘风机，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。当吸尘器电力不足时，电量传感器报警提示。

关键词：机器人吸尘器混合式步进电机超声波传感器灰尘传感器红外释热传感器电量传感器

一．整个控制系统的组成及主要设计思路分析

多功能吸尘器的整个控制系统，主要由电机部分、传感器部分、微型机算计部分（单片机8051）分组成。

该机器人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；利用电子罗盘进行方向的判断，通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障。多功能吸尘器的红外线传感器能检测认得存在，在检测到人存在时会给单片机一个电信号，单片机控制吸尘器停止前进。多功能吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体，吸尘器行走的同时，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。

单片机作为控制源产生脉冲信号，驱动步进电机转动，同时检测超声波传感器与红外线传感器的信号，数字罗盘的转角信号同样也输出给单片机，由单片机完成信号的处理过程。

二．驱动电机部分

机器人吸尘器的驱动部分选择由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成。

1.选择步进电机的理由

步进电机的优势：

➢步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

➢成本低

➢在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一

线性关系存在，而且步进电机只有周期性的误差（一般步进电机的精度为步进角的

3-5%）而无累积误差等。

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3-5m／min左右，对电机转速的要求不高，所以综合考虑选择步进电机。

步进电机分三种：

➢磁阻式：反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5 度，但噪声和振动都很大。这种电机选择几乎不被选用。

➢永磁式：一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。永磁式步进电机与传统的磁阻式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的

工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该

电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自

身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

➢混合式：混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相。

两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。混合式步进电机某种程度

上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。

这种步进电机的应用最为广泛。

混合式步进电机像磁阻式步进电机一样可以做成小步距角，采用细分电路后步距角更小，有较高的启动频率和运行频率，又像永磁式步进电机那样控制功率小，力矩较大，定子断电时有定位转矩。所以选择混合式步进电机。

2.参数计算

机器人吸尘器设计采用两个驱动后轮，一个前轮，如图所示。

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万向转轮这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性。

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。

按照运行速度5m ／min ，设计车轮后轮的直径为8cm 计算，这样能够保证多功能吸尘器行走平稳，而且有很高的效率。

dn v π=

min /208

14.3500r d v n ≈⨯==π 其中，v —运行速度

d —车轮直径

n —电机转速

由于智能吸尘器速度很低，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5。设电机的转速为ｎ约为min /100r 。

机器人吸尘器的质量取3Kg ，电机在平地上行走时，后车轮的的阻力矩

m

N T r

f m

g T f f ⋅=⨯⨯⨯=⨯⨯=0647.004.0055.08.93

其中，f T —吸尘器后轮的的阻力矩 m —吸尘器质量

f —滚动摩擦系数

r —后轮半径

电机爬坡时，

m N f mgr T f ⋅=+⨯⨯⨯=+=877.0)055.01(2

204.08.93)cos (sin θθ cm N T L ⋅=877.0max

多功能吸尘器的前轮阻力矩：

m

N T r f mg T f f ⋅=⨯⨯⨯=⨯⨯=8.05.0055.08.93''前

其中， 'f T —吸尘器的前轮阻力矩