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

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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地圖，在此基礎上合理地規(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：它的頂端設置有一個可旋轉的激光發(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)垃圾通過旋轉對刷匯聚，然后由后面緊接著的風機吸進去，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根據(jù)地面反饋力的大小自動調節(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、蔽障為一體的服務型機器。它以單片機 為控制核心，通過直流電機驅動 板控制電機的正、反轉和速度，從而實 現(xiàn)小車的前進、后退、轉彎、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.自動換抹布機械結構設計 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將臟的部分自動卷 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。 當整個拖地過程結束后，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 電機的運轉使6方筒旋轉，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 過一定角度，還要在每次旋轉時都要將6方筒抬高，以避免與地面卡死，因此這種方法 比較復雜。 方案2：利用直流電機和棘輪機構實現(xiàn) 更換抹布。把主動軸和直流電機用聯(lián)軸器連接起來，從動軸與棘輪機構連接起來。將抹布的兩端各繞在兩根轉軸上，通過直流 電機的運轉帶動轉軸旋轉，繼而使抹布在 一根轉軸上卷進來，在另一根轉軸上卷出 達到換抹布的目的。電機在轉動一定時間 后，利用其自鎖功能和棘輪機構達到抹布 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（相關書籍5本以上，文章10篇以上）； 2、查閱相關資料，確定拖地機的系統(tǒng)方案； 3、用PRO/E畫出機械結構三維圖； 4、實現(xiàn)機械結構的組裝； 5. CAD畫出總體裝配圖； 6．設計其控制電路，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)設計準備工作，熟悉題目，收集資料，進行畢業(yè)實習，明確研究目的和任務，構思總體方案； 2）、7—10周，繪制相關圖紙； 3）、11—13周，收尾完善，編寫畢業(yè)設計論文，準備畢業(yè)設計答辯。 3 電機驅動板的選型 電機驅動板有采用H橋電路的電機驅動 模塊、L298N的電機驅動模塊或SM6235W電 機遙控驅動模塊的三種選擇方案。采用H 橋電路的電機驅動模塊電路不能夠驅動大 功率電機，并且電路暴露在外部導致穩(wěn)定 性不高[3]。采用SM6235W電機的遙控驅動 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 動模塊具有高集成度、高功率的特點，可以 驅動大的負載，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。當驅動直流電機時，可 以直接控制兩路電機，并可以實現(xiàn)電機正 轉與反轉，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，四通道驅動，設計用L298N 來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅動感性 負載(比如繼電器，直流和步進馬達)和開關 電源晶體管。內部包含4通道邏輯驅動電 路。根據(jù)設計要求，，便可給[P_IOA_DATA]傳送數(shù)據(jù)，從而控制轉向電機和驅動電機。 單片機和L298驅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 結構圖和連接圖圖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、反轉等。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)直流電機的驅動。如上所述，系 統(tǒng)選用L298作為電機的驅動芯片，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對加載在電機兩端電壓平均值大小的控制。在單位時間內 加載在電機兩端平均電壓越大，則電機轉 動速度越快，否則越慢。單片機將產生的 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，因此當單片機方向控制引腳輸 出高電平，則電機正轉，否則反轉。單片機 的部分電機控制流程圖如4所示： 當小車開始工作，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)新導報[J] 2012 NO.25. [2]岳泉婉.智能掃地機器人工作原理大剖析[J] 2014.4. [3]王為.機械設計[M] 武漢:機械工業(yè)出版社,2012 [4]李航,宋春華,羅勝彬,韋興平,劉小利.機器人的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 [5]白騰飛.《掃地機器人工作原理》[EB/OL]，知乎網(wǎng)站 https://www.zhihu.com/question/31899036?sort=created [6]岳泉婉.《智能掃地機器人工作原理》[EB/OL]，新浪博客網(wǎng)站 http://www.yuequanwan.com/saodizhishi/305.html 指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日