智能可移動的空氣凈化器的設計*

宋云飛，常博景，朱 磊，蔡洋洋

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，合肥 230009）

0 引言

凈化空氣，改善空氣質量，已成為人們心目中的共識。因此，空氣凈化器應運而生。然而，隨著國內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、需在密閉的空間內運行、工作時位置固定，凈化范圍局限于其所處區(qū)域。此外，家庭中復雜的多居室環(huán)境，在一定程度上降低了空氣凈化器的凈化效率。而人為移動空氣凈化器既耗費精力，又難以準確辨別其最佳位置。本文提出了智能可移動的室內空氣凈化器，力求室內空氣凈化效率最大化。

1 方案設計

1.1 總體方案

本設計的總體結構采用星形布局，即一個凈化端主機和多個測量端從機結合。系統(tǒng)功能分析圖如圖1所示。凈化端主機主要負責從多個測量端從機接受數(shù)據(jù)的分析與整合，并根據(jù)算法計算出各個采樣點的空氣質量指數(shù)，作出路徑規(guī)劃；從機分布于室內所選取的各個采樣點且附有各種傳感器，如圖1所示，負責實時采集各個采樣的空氣質量信息，并通過信號傳輸模塊將其發(fā)送到主機。主機根據(jù)內置的算法，分析出各個采樣點的空氣質量指數(shù)，并作出凈化路徑，控制移動模塊向既定位置移動。到達相應采集點后，開啟凈化模塊，完成對該點空氣的凈化任務[1]。

圖1 功能分析圖

1.2 結構設計

1.2.1 移動底座

空氣凈化器的凈化模塊內置左、右2個電機，通過對2個電機的轉速調節(jié)來實現(xiàn)轉向和直行，從而可以準確到達室內任意采集點的位置，并實現(xiàn)空氣凈化的作用?？諝鈨艋鞯尿寗拥鬃鶊D如圖2所示。具體工作時，檢測端向空氣凈化器發(fā)送信號，經(jīng)通信單元傳送至微控制器，進而計算出移動方位。再通過微控制器發(fā)送相應的脈沖信號到電機，以實現(xiàn)對2個電機轉數(shù)的控制。

圖2 驅動底座圖

1.2.2 凈化器部分

空氣凈化器的主體結構如圖3 所示，根據(jù)流體動力學理論，運用倒“T”型的氣路結構，如圖4所示。在凈化器的上端，利用高效離心風機（圖5）產生的負壓，將入口空氣吸入風扇。而凈化器下端為HEPA[2]，氣流通過HEPA時會被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），以實現(xiàn)對大顆粒污染物的初步過濾，并且可以在氣門與離心風機之前設置可更換HEPA 濾紙以保證凈化效果的同時，不會影響電機的正常工作。該處采用的HEPA 使用V型結構以保證迎風橫斷面之比和濾料面積的同時，還可以使結構更加緊湊，減小壓力損失[3]。

圖3 空氣凈化器結構圖

圖4 倒“T”型氣路結構模型圖

圖5 離心風機

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，通過空氣質量檢測器的配合來檢測空氣質量。該模塊由PM2.5 傳感器、甲醛傳感器、溫濕度傳感器、信號發(fā)射器等幾個部分組成，可以實時監(jiān)測室內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，信號發(fā)送器將向凈化器發(fā)送信號，然后借此來控制凈化器的開關及運動路徑。

圖6 探測部分工作示意圖

2 關鍵技術

2.1 探測技術

探測技術主要由復合智能傳感器實現(xiàn)。工作時，該智能傳感器通過識別1 μm 以上的顆粒的濃度，將探測結果傳給微控制器，通過微控制器內部計算與優(yōu)化，輸出行動信號使該空氣凈化器移動。該設計省去了傳感器直接輸出脈沖部分，減輕了傳感器負擔，增加了傳感器的壽命，而且也降低了總處理器的負擔，從而提高了用戶對該空氣凈化器的整體驗[4]。

2.2 空氣凈化器移動狀態(tài)分析

安裝于小車底盤上的5 個光電對管尋跡傳感器（空氣凈化器探測部分）布局如圖7所示[5]。小車的運動方向由左右驅動輪決定。而各個萬向輪可以實現(xiàn)左轉、右轉和前后移動，通過對運動的合成可以確定該空氣凈化器的最終行動軌跡。3個萬向輪的速度大小根據(jù)紅外感應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。速度整體調節(jié)是由PWM波的占比實現(xiàn)的。循跡子程序中紅外光電管與小車偏轉方向關系如表1 所示，0（此時才能檢測到白線）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)的變化進行判斷，將相應信號發(fā)送給電動機，進而控制小車的運行。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 單片機開發(fā)板組成。該系統(tǒng)主要包括感知系統(tǒng)和移動系統(tǒng)，其可以在感知外界信息后加以處理來控制整個空氣凈化器移動。感知系統(tǒng)通過光電編碼器對空氣凈化器位置移動的信息進行掌握，應用防跌落和循跡傳感器可獲得環(huán)境信息；移動系統(tǒng)由1個萬向輪和2個直流電機控制的橡膠輪組成，直流電機采用L298N驅動芯片對PWM進行控制，并采用PID算法來確定輪子的轉向[6]。

小車進入循跡模式后，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進入判斷處理程序，先確定5個探測器中哪個探測器探測到了白線，然后相應地執(zhí)行前進、左轉、右轉等操作，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、使用時間最短、消耗能量最少等預定的準則下，如何選擇一條最優(yōu)化的路徑，是個很重要的問題。具體采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的移動路徑規(guī)劃算法，即采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法描述機器人移動環(huán)境的各種約束，計算碰撞函數(shù)，將迭代路徑點集作為需要優(yōu)化的目標函數(shù)，通過求解目標函數(shù)的最優(yōu)值來確定點集，從而實現(xiàn)路徑最優(yōu)規(guī)劃。

3 結束語

本文針對傳統(tǒng)的室內空氣凈化器存在的局限與不足，提出了一種智能可移動的室內空氣凈化器，通過對室內（家庭、醫(yī)院、工廠、企業(yè)等通風性較差的私人或公共場所）空氣進行高效凈化，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，降低對民眾日常室內活動的影響，為治理污染、提高百姓生活質量做出貢獻。