智能可移动的空气净化器的设计*

宋云飞，常博景，朱 磊，蔡洋洋

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

0 引言

净化空气，改善空气质量，已成为人们心目中的共识。因此，空气净化器应运而生。然而，随着国内外空气净化器的迅速发展，传统的固定式空气净化器所存在的若干弊端也日益显露出来。主要表现在传统的空气净化器净化范围较小、需在密闭的空间内运行、工作时位置固定，净化范围局限于其所处区域。此外，家庭中复杂的多居室环境，在一定程度上降低了空气净化器的净化效率。而人为移动空气净化器既耗费精力，又难以准确辨别其最佳位置。本文提出了智能可移动的室内空气净化器，力求室内空气净化效率最大化。

1 方案设计

1.1 总体方案

本设计的总体结构采用星形布局，即一个净化端主机和多个测量端从机结合。系统功能分析图如图1所示。净化端主机主要负责从多个测量端从机接受数据的分析与整合，并根据算法计算出各个采样点的空气质量指数，作出路径规划；从机分布于室内所选取的各个采样点且附有各种传感器，如图1所示，负责实时采集各个采样的空气质量信息，并通过信号传输模块将其发送到主机。主机根据内置的算法，分析出各个采样点的空气质量指数，并作出净化路径，控制移动模块向既定位置移动。到达相应采集点后，开启净化模块，完成对该点空气的净化任务[1]。

图1 功能分析图

1.2 结构设计

1.2.1 移动底座

空气净化器的净化模块内置左、右2个电机，通过对2个电机的转速调节来实现转向和直行，从而可以准确到达室内任意采集点的位置，并实现空气净化的作用。空气净化器的驱动底座图如图2所示。具体工作时，检测端向空气净化器发送信号，经通信单元传送至微控制器，进而计算出移动方位。再通过微控制器发送相应的脉冲信号到电机，以实现对2个电机转数的控制。

图2 驱动底座图

1.2.2 净化器部分

空气净化器的主体结构如图3 所示，根据流体动力学理论，运用倒“T”型的气路结构，如图4所示。在净化器的上端，利用高效离心风机（图5）产生的负压，将入口空气吸入风扇。而净化器下端为HEPA[2]，气流通过HEPA时会被HEPA滤纸的高效玻璃纤维所吸附（即空气在HEPA 入口处经滤网过滤，并经扇叶甩出），以实现对大颗粒污染物的初步过滤，并且可以在气门与离心风机之前设置可更换HEPA 滤纸以保证净化效果的同时，不会影响电机的正常工作。该处采用的HEPA 使用V型结构以保证迎风横断面之比和滤料面积的同时，还可以使结构更加紧凑，减小压力损失[3]。

图3 空气净化器结构图

图4 倒“T”型气路结构模型图

图5 离心风机

1.2.3 探测部分

探测模块的工作流程如图6 所示。该系统的控制终端为微控制器，通过空气质量检测器的配合来检测空气质量。该模块由PM2.5 传感器、甲醛传感器、温湿度传感器、信号发射器等几个部分组成，可以实时监测室内PM2.5、甲醛、粉尘等空气污染物的状态。如果浓度超过正常范围，信号发送器将向净化器发送信号，然后借此来控制净化器的开关及运动路径。

图6 探测部分工作示意图

2 关键技术

2.1 探测技术

探测技术主要由复合智能传感器实现。工作时，该智能传感器通过识别1 μm 以上的颗粒的浓度，将探测结果传给微控制器，通过微控制器内部计算与优化，输出行动信号使该空气净化器移动。该设计省去了传感器直接输出脉冲部分，减轻了传感器负担，增加了传感器的寿命，而且也降低了总处理器的负担，从而提高了用户对该空气净化器的整体验[4]。

2.2 空气净化器移动状态分析

安装于小车底盘上的5 个光电对管寻迹传感器（空气净化器探测部分）布局如图7所示[5]。小车的运动方向由左右驱动轮决定。而各个万向轮可以实现左转、右转和前后移动，通过对运动的合成可以确定该空气净化器的最终行动轨迹。3个万向轮的速度大小根据红外感应器偏离中心的程度决定，左右偏离越大，速度越大，左1、右1比左2、右2的速度更大。速度整体调节是由PWM波的占比实现的。循迹子程序中红外光电管与小车偏转方向关系如表1 所示，0（此时才能检测到白线）代表低电平，1代表高电平。

图7 红外传感器检测分布图

表1 红外光电传感器状态与小车偏传方向分析

2.3 主程序控制流程

空气净化器开始循迹后，I/O口通过读取上层微控制器的数据，并根据数据的变化进行判断，将相应信号发送给电动机，进而控制小车的运行。主程序流程如图8所示。

图8 主程序控制流程 图9 循迹程序流程

2.4 路径规划和避障系统

2.4.1 避障系统

避障系统由STM32F407 单片机开发板组成。该系统主要包括感知系统和移动系统，其可以在感知外界信息后加以处理来控制整个空气净化器移动。感知系统通过光电编码器对空气净化器位置移动的信息进行掌握，应用防跌落和循迹传感器可获得环境信息；移动系统由1个万向轮和2个直流电机控制的橡胶轮组成，直流电机采用L298N驱动芯片对PWM进行控制，并采用PID算法来确定轮子的转向[6]。

小车进入循迹模式后，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序，先确定5个探测器中哪个探测器探测到了白线，然后相应地执行前进、左转、右转等操作，循迹程序流程如图9所示。

2.4.2 路径规划

所谓路径规划，是指空气净化器可以自主决定路径，并能够正确判定障碍物的位置，从而避开障碍物。因此，在路径最短、使用时间最短、消耗能量最少等预定的准则下，如何选择一条最优化的路径，是个很重要的问题。具体采用人工神经网络的移动路径规划算法，即采用神经网络算法描述机器人移动环境的各种约束，计算碰撞函数，将迭代路径点集作为需要优化的目标函数，通过求解目标函数的最优值来确定点集，从而实现路径最优规划。

3 结束语

本文针对传统的室内空气净化器存在的局限与不足，提出了一种智能可移动的室内空气净化器，通过对室内（家庭、医院、工厂、企业等通风性较差的私人或公共场所）空气进行高效净化，在保障民众拥有良好的生活环境和舒适的工作环境的同时，降低对民众日常室内活动的影响，为治理污染、提高百姓生活质量做出贡献。