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1、大学生创新创业项目中期检查书项 目 名 称 爬楼式自动吸尘器的研究制作及其应用 项 目 编 号 14 项 目负责人 张国灿 所 在 学 院地球物理与信息工程学院 资 助 总 额 1.29 万元，已拨款项 0 万元起 止 年 月 2012 年 5 月 10 日2012 年 8 月 10 日 电 话 18911079082 E-mail 填 表 日 期 2012 年 12 月 26 日 中国石油大学（北京）填写说明1.中期检查报告由正文和附件两部分组成，正文部分请按表格要求填写，并可根据需要加页，要求层次分明、内容准确。项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，需在报告中如实反映。2.对不
2、按要求填报本中期报告书，或项目执行不力，或研究内容调整不当而影响项目顺利开展的，学校将中止拨款。3.院系专家组认真评审，签署意见后，按时将本检查书（一式二份）报送项目管理办公室。一、项目主要进展（附已发表论文首页或其他成果的复印件）一、二、下一步工作计划三、经费使用情况和经费安排计划第一阶段：1、 初步设计了机器人机械结构及外形，学习 solidworks 软件并绘出吸尘器外形 3D 影视图；2、 通过广泛调研和实验比较，确定了选用红外传感器来定位障碍物的设计方案。第二阶段：1、 学习电路设计软件 Protel 的使用；2、 设计了基于红外探测方法的障碍物检测电路以及吸尘器向各个方向运行的控制
3、电路，购买了相应电路元器件。第三阶段：1、焊接实验电路板，调试目前所设计的电路，实现对障碍物的定位和避让功能；2、研制并调试剩余电路，主要是实现爬楼梯功能所用到的控制电路；3、吸尘器机械部分的设计及加工。第四阶段：实体组装，对整个系统进行联调，发现电路及机械设计中存在的不足，加以整改；第五阶段：机器功能完善与外形美化；实现机器自动躲避障碍物及爬楼吸尘的目的。已使用经费：1、资料查阅、购买书籍、软件：350 元2、搭建实验电路、购买元器件：600 元整体经费安排：资料查阅、购买书籍：900 元购买电路元器件及简单工具：3000 元电路板加工制作：2000 元机械模具加工：3000 元系统组装：5
4、00 元耗材：500 元论文版面费：3000四、存在问题、建议及需要说明的情况五、指导教师意见项目组成员学习了 solidworks 和 Protel 软件的使用，在大量调研和实验比较的基础上，确定了利用红外线方式来实现障碍物探测的功能，并设计了相应的红外收发电路以及吸尘器自由运行的控制电路，电路设计合理，工作原理正确， 下一步的工作重点应该放在对已有电路的调试以及对吸尘器机械部分的设计，在机械部分的设计中，要做到多看、多想、多试，充分发挥想象力，因为合理的机械结构及其工作原理对机器外形和性能的影响都至关重要。从目前的进展情况看，项目基本是按照初期计划的时间节点执行的，希望今后再接再厉。 校内
5、导师（签章）年 月 日企业导师（签章）年 月 日本次创新是给吸尘装置设计一个外壳，使其具有探测障碍物并加以绕行以及爬楼梯的功能，目前已经设计了基于红外线传感器的障碍物探测电路及吸尘器运行控制电路，但还未进行焊接与调试，如果调试顺利，绕行障碍物的功能即可实现，下一步重点围绕爬楼梯功能展开相关工作。项目负责人签字：年 月 日 六、院系专家组意见七、学校专家组意见八、学校领导小组审批意见专家组组长（签章）年 月 日专家组组长（签章）年 月 日负责人（签章）年 月 日附件：1.吸尘器外观 3D 影像图：左视图 主视图上图分别为机器初步模型，机器采用轮式爬楼，经过大量调研发现叶轮式爬楼最具有优势，可实现
6、平地及爬楼两方是并行，但模型设计中并未体现，目前模型并没有制作完毕投入实验，将在后续实验中继续改进。2.吸尘装置本次创新点并不在吸尘装置，但吸尘装置位置尤为重要，经过大量调研，小组决定采用手臂伸展式。在整体构架上放两段方形长筒装支架，两段长筒支架以 360 度可转轴承相连，两边分别与机身和长方形吸尘端口互接，吸尘管道由长筒导入储物仓，实现吸尘。3.红外感应方式探测：该方案实现比较简单，不用单片机处理，只需纯硬件电路就可以实现。利用红外线的发射和接收感应障碍物的反射。再利用常用的 556 和 555 集成芯片进行逻辑判断，然后驱动两个直流电机做出动作，从而实现整个功能。4.电路设计和工作原理：电
7、路如下图所示，图中两个直流电动机分别安装在机器人的左右两侧下方，机器人的行走方向与每个电动机的旋转方向有关。例如，使两个电动机都朝同一方向旋转时，机器人可以前进或倒退。此外，当一个直流电动机正转，而另一个直流电动机反转时，机器人也可以原地转弯。例如当左电动机正转（前进方向） ，右电动机反转（后退方向）时，机器人就向右行。两个电动机的旋转方向是通过两只双极双掷式继电器来控制的，机器人的每只眼睛均由一只红外发光二极管和一只光电三极管组成，这两只眼睛控制两只继电器工作。图中的 556 型双时基集成电路的一半（IC1-1）起着一个双稳态多谐振荡器的作用，并按约1kHz 的频率振荡。IC1-1 的输出（
8、 5 脚）驱动三极管 VT1，VT1 的输出（射极）又驱动红外发光二极管 VD4 和 VD5。机器人的右眼由图中 VD4 和 VT2 组成，这两只器件应并排安装（彼此不面对） ，其间约离 1/4 英寸的距离。左眼由 VD5 和 VT4 组成，按与右眼同样方式安装，但左、右两眼间应相隔约 4 英寸的距离。避免彼此的干扰。机器人工作时，IC1-1 通过发生多谐振荡在 5 脚输出一个频率约为 1kHz 的脉冲波，通过 VT1 的放大再经 VD4 这两个红外发光二极管发射出去。若在 VD4 前方有障碍物，则VD4 发出的脉冲波会通过障碍物的反射到光电三极管 VT2 上，VT2 所检测到的脉冲波经过电容
9、 C2 耦合加至三极管 VT3 的基极，经 VT3 放大后的脉冲波由其集电极输出去触发IC2（加至 555 的 2 脚） 。于是 IC2 按单稳态方式工作，并由 3 脚输出 2.75s 的脉冲。IC2的 3 脚输出的脉冲经三极管 VT7 放大后驱动继电器 K2 动作，使得加至左电动机的电压的极性相反，于是左电动机反转，机器人避开障碍物向左行。利用图中 556 型双时基集成电路的另一半（IC1-2） ，机器人左眼电路部分按同样方式工作。这样。机器人就可以避开障碍物行走。当机器人的左、右眼前方同时出现障碍物时，两只继电器都工作，加至左右两电动机的电压的极性均相反，两个电动机都反转，于是机器人将倒退
10、行走。图中由三极管 VT8VT10 及其外围元件组成的电路。可为右电动机提供更长的导通时间，避免机器人在窄通道受到阻挡。5.选用的芯片IC1 采用双时基集成电路（即里面包含了两只 555）的 NE556，NE556 为双极型电路,其输出驱动能力大,输出电流可达到 200MA,工作频率范围可达 01001Hz500kHz。其引脚图如下图其引脚功能分别为：1、13 脚：放电；2、12 脚：阈值；3、11 脚：控制；4、10 脚：复位；5、9 脚：输出；6、8 脚：置位触发；7 脚：GND14 脚：+电源 VccIC2 采用 NE555NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号，
11、555 系列 IC 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而 555 是一个用途很广且相当普遍的计时 IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。a. NE555 的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源电压范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，
12、且价格便宜。5.静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA b. NE555 引脚位功能配置说明下：Pin 1 (接地 ) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发 NE555 使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于 1/3 VCC 。 Pin 3 (输出 ) -当时间周期开始 555 的输出输出脚位，移至比电源电压少 1.7 伏的高电位。周期的结束输出回到 O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 mA 。 Pin 4 (重置) -一
13、个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6 重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从 1/3 VCC 电压以下移至 2/3 VCC 以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 ON 时为LOW，对地为低阻抗，当输出为 OFF 时为 HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是 555 个计时器 I
14、C 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏特(最小值)至+16 伏特( 最大值)。参数功能特性： 供应电压 4.5-18V 供应电3-6 mA 输出电225mA (max) 上升/下时间 100 ns.NE555 的相关应用: NE555 的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。6.“眼睛”的选择对于该方案来说，机器人“眼睛”的选择至关重要，因为机器人工作时判断的依据都是依靠于这两只眼睛。根据电路，眼睛由一只红外发光二极管和一只光电三极管组成。通过查资料选用了型号为 LTH-1550-01 的红外感应开关，其外形如下图： 相比于常用的 XC880A 红外发光二极管和 TIL414 光电三极管，采用 LTH-1550-01 型号的红外反射开关还有另一个好处，就是 LTH-1550-01 是集成了发射和接收在同一个元件。可以省去做眼睛时发射和接收的彼此隔离。其工作原理如下图通过改变 RP1 的阻值可调节光电三极管的接收灵敏度，于是可以调节反射的有效距离，从而可以更加远地感应到障碍物。让机器人有足够的时间判断和完成转弯动作。
