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1、多功能智能拖地机的设计白云鹏，陈文奇，罗鹏，申亚博（河南理工大学电气学院， 焦作 454000）摘要：为了减轻做家务人员的负担，节省时间，实现多种功能，运用不同传感器与硬件模块的，以内部微处理器为核心，设计一种多功能智能拖地机。通过理论验证其可行性，以及巨大的使用价值和潜在的商业价值。其主要利用传感器感应操作者发出的指令并通过智能芯片控制定向移动，从而实现拖地，利用其强大的吸附功能，实现对各式地板的强效除污。整个过程涉及到的模块以及模块之间的连接方式比较复杂，分析过程中不仅要考虑处理器的处理能力，还需要考虑能耗的问题，以及智能拖地机动作的快速性和准确性。需要指出的是模块的复杂程度是基于处理器的
2、处理能力的，保证处理器的有效管理是最重要的，另外，多模块在空间上也进行了合理分配。关键词： 多功能；物联网；红外避障；模块化；1 引言近几年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能创新技术逐渐成为现代研究领域的热点。而为日常生活服务的智能技术越来越得到重视，因为其实用性很强。本次设想的自动进行房间地面清洁的多功能智能自动拖地机，集机械学、电子技术、控制技术、传感器技术、计算机技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。智能拖地机其实也可以看成一种机器人，虽然不具备人的形态，像这类的产品现在在市场上也有一些但并未真正推广。通过它的设计也会带动智能创新行业的继续发展，为这个行业注入新的活力
3、。本次设计的题目就是在这种背景下提出的。目前，我国市场上虽然出现了几类新式拖把，但是这些拖把的使用方法和老式的传统拖把相比较，基本没有什么差别。不论是新式还是老式的拖把，令使用者感觉不便的就是拖把洗净以后需要把水拧干，使用者要么需要用手拧干，这样一来劳动强度大，费时费力，并且容易弄脏双手，尤其是在冬天，这些拖把使用起来又冷又不卫生；也有使用者将洗净的拖把悬挂起来，让拖把自然脱水这样便使得拖把长期时间处于很湿的状态，从而影响拖把的使用寿命。 而采用智能拖地机就不会出现控水难的问题，因为它能自己调控水量。2 自动拖地机的基本功能与实现2.1 基本功能描述拖地机外形成圆边矩形体，用户可以通过操作对其
4、进行功能的与时间的设定。首先，拖地机有干拖与湿拖两种模式。干拖就是在内部程序与硬件的控制下对水量进行适当的控制，且通过自带的外部吸水装置，前部分拖地部分拖完后留下的水渍通过后部分吸水装置与烘干装置清理干净。湿拖，顾名思义就是拖完后地面较湿，装置不对其进行遗留水渍的处理。两种模式适用于不同的地域环境情况，取决于用户的选择。对于干燥环境，通过对干湿度的检测与判断，系统将为用户默认选择湿拖模式，对湿润环境默认为干拖。默认模式也将以用户设定的为最高优先级。然后，拖地机支持定时工作方式和即时工作方式。拖地机内置时钟，用户可以设置多久后进行拖地或是每隔几小时拖地，或是立刻拖地这几种方式。以上几种方式皆是通
5、过内部CPU及相应程序与外设实现。拖地机有自动避障及路径选择功能，以确保完整拖完地面。在拖地过程中是通过几种光学传感器实现功能的，通过红外传感器判断障碍物大小及避障路径，通过对起始点与终点及临近障碍物的距离判断，以及地面干湿度的检测选择下次工作路径。多重选择判断以确保拖地时不会重拖、漏脱。2.2外形与结构设计整个拖地机由感应部分、执行部分和控制部分三大部分组成。感应部分包括高精度传感器、信号调理转换电路、辅助电源，执行部分包括高强度塑料底盘、驱动电机、驱动轮、随动轮、清洁刷、吸尘电机等，控制部分主要是一个遥控器。 2.2.1 结构组成与工作原理(1)移动机构。该部分主要保证拖布能够在平面内移动
6、。壳体前端和侧面装有红外开关，作为碰撞检测传感器。驱动轮上装有光电编码盘，可以对轮速进行检测和控制，在驱动电机的作用下，实现定向和行走。采用两直流电动机独立驱动左右两轮的差动方式，控制简单、精确、易于实现，可以方便地实现拖布的前进、左转、右转、后退，以及调头等功能，拖布能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至可以实现原地绕中轴旋转。(2)清扫机构。用电机带动两个清洁刷，使左面清洁刷顺时针转动，右面逆时针转动，这样就可以在清扫灰尘时将灰尘集中于吸风口处，为吸尘机构的工作做准备；清洁刷设计成可更换型的，可选择棉质纺织品或尼龙等化纤材料的，以适应不同的工作环境。(3) 吸尘机构。吸尘电机制造强大的
7、吸力，将灰尘吸入灰尘存储箱中。吸尘探头与地面采用面覆盖式接触方式，更便于吸收灰尘。(4) 拖地机构。利用具有良好导水性及清洁性的材料制成的拖地部分，内置清洁部分专为拖地材料进行清洗，而且更换较为简单。(5) 除水机构。置于机体后方的是用于清除水渍的类似于海绵功能材料制作的吸水性能好的吸水部分，而且还带有吹出热风的烘干部分.2. 2.2 智能拖地机的总体设计（1）外形设计根据本次设计的设计要求，本次设计的智能拖布应该包括移动机构、清扫机构、吸尘机构，其中清扫机构的设计尤为重要。通过在网上搜索一些相关资料以及在图书馆查阅的资料，初步把拖布的外形设计为长宽均为50cm高为10cm的长方体，但是后来发
8、现所设计的结构的不合理之处，周边有棱角的装置在躲避障碍物是很不便，非常容易碰到障碍物，而圆形物体则比较容易避开障碍物。因而最终把机器人的外形设计为圆形。（2）移动机构设计为实现拖布的转弯半径为0，在机器人的移动机构中采用两轮驱动，两个驱动轮对称分布在清扫机构的后方，两个轮子和刷子支撑机体工作和运动，这样设计既节省材料，又可以使刷子和地面全面的接触，从而利于更彻底的清扫。在拖布转弯时，通过控制移动机构的两个电机的转速及旋转方向，进而控制两个轮子，通过轮子的前后差速运动实现机体的转弯半径为任意半径。3 扩展功能的设计3.1 与物联网的连接现在物联网越来越受欢迎，应用也越来越广泛，拖地机也适应时代的
9、发展，加入了物联网模块。物连网的三大要求下，联网每一物件均可寻址，联网的每一物件均可通信，联网的每一物件均可控制。通过与电信公司的连接，拖地机支持接受用户手机的控制，通过对特殊约定代码的识别，实现功能的选择，选择干湿拖地模式，工作时间，以及其他外设功能的控制，更是可以实现互相通信。拖地机将家里的各方面信息发回给不在家的用户，还可以通过子母通话机或是其他设备进行控制。拖地机通过所加入的以太网模块与互联网连接。互联网的加入，可实现实时时钟的自动调节，加上一些其他外设，可以用来进行资料查询等更复杂合理的功能。从物联网体系架构图（如图1）可以看出，物联网的潜力巨大，通过对物联网的开发，以拖地机为载体可
10、实现许多不同的功能。图1物联网体系架构图 物联网智能产品融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等)通过智能家庭网络联网实现自动化，通过宽带和无线网络，可以实现对家庭设备的远程操控。与普通产品相比，智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统;还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。物联网中的无线传感器应用对家庭的智能防灾，灯光控制，以及家电联网都提供了一种很好的解决办法。而且使用GPRS通信模块，可以将家庭中的突发
11、事件信息告知户主，并且进行智能报警。这样就极大降低了家庭意外灾难的损失。我们采用的物联网模块主要是有SIM卡模块，无线传感器模块，GPRS通信模块。通过GSM网络实现了手机终端与智能家居系统远距离双向通讯，突破了对传统有线距离的约束，达到远距离接收、发送通讯信息，并且具有很高的模块化程序和可扩展性，智能化程度高。物联网智能家居系统是嵌入式控制终端系统，无线传感网络和GPRS通信。模块的嵌入式智能产品。它很好的改善了产品功能。3.2 红外避障与路径选择智能拖地机是近年来科研人员研究的热门话题，对于新型拖地机的功能有了一些新的功能。对于设想的新型拖地机，采用了红外线扫描和反馈分析装置，这个装置的功
12、能是-拖地机在工作的时候先发向四周发射出红外线，利用红外成像的原理对四周的物体进行反馈显示。首先进行的就是通过内部的分析装置对物体的种类与预先输入的物体种类进行对比，如果发现危险品，比如说打火机等易燃易爆的物品，拖地机会首先移动到危险品旁边，并发出警报（较尖锐的声音和红色灯光的结合）提醒主人。如果通过反馈分析，所扫描得物体并非易燃品，而只是普通的家用品无意间掉在了地上，拖地机也会移动到该物体的旁边，发出提示（较低的声音和黄色灯光的结合）。如果通过反馈分析发现的确是垃圾，那么拖地机就会通过预先输入的垃圾处理优先级，对垃圾进行分批处理。优先级高的比如说香蕉皮、玻璃渣等易对人体产生伤害的物体首先进行
13、处理，优先级低的比如说碎纸屑、碎木屑等不影响人体安全的物体就稍后处理，这个功能通过简单的优先级比较函数就可以实现了。当然，对于自动化专业的学生来说，把自己所学的只是应用到实践中使我们学习最主要的目的。上面所简述的拖地机处理垃圾的工作原理中有用到红外扫描装置，之所以采用红外扫描装置是因为红外扫描有以下特点1高灵敏度,效果同于或者好于化学发光法，但不需信号放大步骤，信噪比高。2直接检测，无需曝光和显色底物，不需要X光片，不需要暗房，没有放射性废料产生。 3双色检测，可以在一次杂交中同时检测两种目的分子，直观，省时。 4宽广的线性范围，可用于高准确性定量。5背景低，图像清晰，激光强度可调，不会丢失弱
14、的信号 。6强有力的软件支持，结果分析如确定分子量和定量及图象处理编辑很容易 7系统操作和维护简单 。另外，功能中还提到了拖地机能分辩打火机等易燃易爆的物品，这里就用到红外线的性质了，红外线在通过物体时会产生衰减，通过分析返回的红外线的剩余量与预先输入的数据进行比较，就可以分辨了。这里提到的数据，科学家们都是有分析的，有的数据是在网上能够找到的，但是有些数据是保密的，所以如果真的要使用这项技术是要先获得这些数据。参考文献有现代防御技术、上海计量测试等。对于简述中所说的反馈分析装置，这里就用到了我们自动化专业很重要的一门专业课自动控制原理。虽然现在我们学的知识还是你较少的，但是随着课程的深入和学
15、习，对于功能简述中的反馈分析装置的实现绝对是易如反掌。 对于报警和通知装置来说也绝对是小菜一叠，在接收到返回的红外线形成数据后，与预先输入的值进行比较，当符合报警的数据条件是就发出尖锐的声音和闪烁红色的光，当符合通知的条件时就发出较弱的声音和发出较淡的蓝光。另外这里一直提到与预先输入的数据进行比较的意思是，拖地机中有存储装置，里面预存着红外线通过物体后的剩余量所对应的数据，前面也说过，对于一些家庭常见的物品，这些数据都是已知的，所以就可以实现所述的功能了。3.3 结构的模块化用单片机控制电机是市场上科技产品的一个运用很广的技术,而且单片机在我们的学习以及课程设计中都要用到，是我们比较熟悉的微型
16、处理器，通过对程序的编写来实现对应的功能不仅是对我们程序编写能力的检验，也是对高新技术产品的一种创新。把单片机控制电机运用在生活用品中还是刚刚起步.单片机控制小车在包括玩具、家用电器等方面都有广泛的应用。另外，家用电器都向智能化发展。而家庭中，各种家务又在忙碌一天想回到家休息的人们，特别是过几天就发黑的地板。一般情况下都是选择用拖把人工打扫。现在室内扫地，拖地手工操作的非常多，有的用吸尘器吸尘，很难把地板搞干净，费工费时，而且劳动强度非常大，劳动效率也很低，在室内清洗上需要大量的人力、物力。而我的设想是能有一台智能化的机器，在对它进行充能之后，它就会自动把家里打扫的干干净净，而且通过对智能拖地机功能的扩展来实现其他的功能，这样的一体多功能不仅能减少资源的浪费还能实现功能的多样化。目前市场上还没有
