宋云飛，常博景，朱 磊，蔡洋洋

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

凈化空氣，改善空氣質(zhì)量，已成為人們心目中的共識(shí)。因此，空氣凈化器應(yīng)運(yùn)而生。然而，隨著國內(nèi)外空氣凈化器的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的固定式空氣凈化器所存在的若干弊端也日益顯露出來。主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的空氣凈化器凈化范圍較小、需在密閉的空間內(nèi)運(yùn)行、工作時(shí)位置固定，凈化范圍局限于其所處區(qū)域。此外，家庭中復(fù)雜的多居室環(huán)境，在一定程度上降低了空氣凈化器的凈化效率。而人為移動(dòng)空氣凈化器既耗費(fèi)精力，又難以準(zhǔn)確辨別其最佳位置。本文提出了智能可移動(dòng)的室內(nèi)空氣凈化器，力求室內(nèi)空氣凈化效率最大化。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

本設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)采用星形布局，即一個(gè)凈化端主機(jī)和多個(gè)測量端從機(jī)結(jié)合。系統(tǒng)功能分析圖如圖1所示。凈化端主機(jī)主要負(fù)責(zé)從多個(gè)測量端從機(jī)接受數(shù)據(jù)的分析與整合，并根據(jù)算法計(jì)算出各個(gè)采樣點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)，作出路徑規(guī)劃；從機(jī)分布于室內(nèi)所選取的各個(gè)采樣點(diǎn)且附有各種傳感器，如圖1所示，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集各個(gè)采樣的空氣質(zhì)量信息，并通過信號(hào)傳輸模塊將其發(fā)送到主機(jī)。主機(jī)根據(jù)內(nèi)置的算法，分析出各個(gè)采樣點(diǎn)的空氣質(zhì)量指數(shù)，并作出凈化路徑，控制移動(dòng)模塊向既定位置移動(dòng)。到達(dá)相應(yīng)采集點(diǎn)后，開啟凈化模塊，完成對(duì)該點(diǎn)空氣的凈化任務(wù)[1]。

圖1 功能分析圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 移動(dòng)底座

空氣凈化器的凈化模塊內(nèi)置左、右2個(gè)電機(jī)，通過對(duì)2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和直行，從而可以準(zhǔn)確到達(dá)室內(nèi)任意采集點(diǎn)的位置，并實(shí)現(xiàn)空氣凈化的作用?？諝鈨艋鞯尿?qū)動(dòng)底座圖如圖2所示。具體工作時(shí)，檢測端向空氣凈化器發(fā)送信號(hào)，經(jīng)通信單元傳送至微控制器，進(jìn)而計(jì)算出移動(dòng)方位。再通過微控制器發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)到電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的控制。

圖2 驅(qū)動(dòng)底座圖

1.2.2 凈化器部分

空氣凈化器的主體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用倒“T”型的氣路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。在凈化器的上端，利用高效離心風(fēng)機(jī)（圖5）產(chǎn)生的負(fù)壓，將入口空氣吸入風(fēng)扇。而凈化器下端為HEPA[2]，氣流通過HEPA時(shí)會(huì)被HEPA濾紙的高效玻璃纖維所吸附（即空氣在HEPA 入口處經(jīng)濾網(wǎng)過濾，并經(jīng)扇葉甩出），以實(shí)現(xiàn)對(duì)大顆粒污染物的初步過濾，并且可以在氣門與離心風(fēng)機(jī)之前設(shè)置可更換HEPA 濾紙以保證凈化效果的同時(shí)，不會(huì)影響電機(jī)的正常工作。該處采用的HEPA 使用V型結(jié)構(gòu)以保證迎風(fēng)橫斷面之比和濾料面積的同時(shí)，還可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，減小壓力損失[3]。

圖3 空氣凈化器結(jié)構(gòu)圖

圖4 倒“T”型氣路結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 離心風(fēng)機(jī)

1.2.3 探測部分

探測模塊的工作流程如圖6 所示。該系統(tǒng)的控制終端為微控制器，通過空氣質(zhì)量檢測器的配合來檢測空氣質(zhì)量。該模塊由PM2.5 傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器、信號(hào)發(fā)射器等幾個(gè)部分組成，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)PM2.5、甲醛、粉塵等空氣污染物的狀態(tài)。如果濃度超過正常范圍，信號(hào)發(fā)送器將向凈化器發(fā)送信號(hào)，然后借此來控制凈化器的開關(guān)及運(yùn)動(dòng)路徑。

圖6 探測部分工作示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 探測技術(shù)

探測技術(shù)主要由復(fù)合智能傳感器實(shí)現(xiàn)。工作時(shí)，該智能傳感器通過識(shí)別1 μm 以上的顆粒的濃度，將探測結(jié)果傳給微控制器，通過微控制器內(nèi)部計(jì)算與優(yōu)化，輸出行動(dòng)信號(hào)使該空氣凈化器移動(dòng)。該設(shè)計(jì)省去了傳感器直接輸出脈沖部分，減輕了傳感器負(fù)擔(dān)，增加了傳感器的壽命，而且也降低了總處理器的負(fù)擔(dān)，從而提高了用戶對(duì)該空氣凈化器的整體驗(yàn)[4]。

2.2 空氣凈化器移動(dòng)狀態(tài)分析

安裝于小車底盤上的5 個(gè)光電對(duì)管尋跡傳感器（空氣凈化器探測部分）布局如圖7所示[5]。小車的運(yùn)動(dòng)方向由左右驅(qū)動(dòng)輪決定。而各個(gè)萬向輪可以實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和前后移動(dòng)，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成可以確定該空氣凈化器的最終行動(dòng)軌跡。3個(gè)萬向輪的速度大小根據(jù)紅外感應(yīng)器偏離中心的程度決定，左右偏離越大，速度越大，左1、右1比左2、右2的速度更大。速度整體調(diào)節(jié)是由PWM波的占比實(shí)現(xiàn)的。循跡子程序中紅外光電管與小車偏轉(zhuǎn)方向關(guān)系如表1 所示，0（此時(shí)才能檢測到白線）代表低電平，1代表高電平。

圖7 紅外傳感器檢測分布圖

表1 紅外光電傳感器狀態(tài)與小車偏傳方向分析

2.3 主程序控制流程

空氣凈化器開始循跡后，I/O口通過讀取上層微控制器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行判斷，將相應(yīng)信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)，進(jìn)而控制小車的運(yùn)行。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序控制流程 圖9 循跡程序流程

2.4 路徑規(guī)劃和避障系統(tǒng)

2.4.1 避障系統(tǒng)

避障系統(tǒng)由STM32F407 單片機(jī)開發(fā)板組成。該系統(tǒng)主要包括感知系統(tǒng)和移動(dòng)系統(tǒng)，其可以在感知外界信息后加以處理來控制整個(gè)空氣凈化器移動(dòng)。感知系統(tǒng)通過光電編碼器對(duì)空氣凈化器位置移動(dòng)的信息進(jìn)行掌握，應(yīng)用防跌落和循跡傳感器可獲得環(huán)境信息；移動(dòng)系統(tǒng)由1個(gè)萬向輪和2個(gè)直流電機(jī)控制的橡膠輪組成，直流電機(jī)采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)PWM進(jìn)行控制，并采用PID算法來確定輪子的轉(zhuǎn)向[6]。

小車進(jìn)入循跡模式后，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定5個(gè)探測器中哪個(gè)探測器探測到了白線，然后相應(yīng)地執(zhí)行前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作，循跡程序流程如圖9所示。

2.4.2 路徑規(guī)劃

所謂路徑規(guī)劃，是指空氣凈化器可以自主決定路徑，并能夠正確判定障礙物的位置，從而避開障礙物。因此，在路徑最短、使用時(shí)間最短、消耗能量最少等預(yù)定的準(zhǔn)則下，如何選擇一條最優(yōu)化的路徑，是個(gè)很重要的問題。具體采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)路徑規(guī)劃算法，即采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法描述機(jī)器人移動(dòng)環(huán)境的各種約束，計(jì)算碰撞函數(shù)，將迭代路徑點(diǎn)集作為需要優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，通過求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值來確定點(diǎn)集，從而實(shí)現(xiàn)路徑最優(yōu)規(guī)劃。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣凈化器存在的局限與不足，提出了一種智能可移動(dòng)的室內(nèi)空氣凈化器，通過對(duì)室內(nèi)（家庭、醫(yī)院、工廠、企業(yè)等通風(fēng)性較差的私人或公共場所）空氣進(jìn)行高效凈化，在保障民眾擁有良好的生活環(huán)境和舒適的工作環(huán)境的同時(shí)，降低對(duì)民眾日常室內(nèi)活動(dòng)的影響，為治理污染、提高百姓生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。