湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 鄔文俊 方軍
電風(fēng)扇作為一種常用的電器,因其方便和低耗的特性,普遍應(yīng)用于工業(yè)和家用領(lǐng)域。目前,電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)絕大部分采用的是定軌跡循環(huán)搖頭的模式。然而,目標(biāo)人群往往僅分布在電風(fēng)扇搖頭軌跡有效區(qū)域中的某一小范圍內(nèi),在無人空白區(qū)域內(nèi)的送風(fēng)是對(duì)風(fēng)力資源的浪費(fèi)。因此,研究基于人體尋蹤的電風(fēng)扇可控?fù)u頭系統(tǒng)在提高送風(fēng)效率和人體舒適度方面具有必要的實(shí)際意義。
未來必定是智能化物聯(lián)網(wǎng)的世界,對(duì)電風(fēng)扇的智能化而言,自動(dòng)尋蹤技術(shù)也是智能電風(fēng)扇研究最關(guān)鍵的問題。
傳統(tǒng)定軌跡循環(huán)搖頭機(jī)構(gòu)如圖1所示,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)后軸上的蝸桿帶動(dòng)蝸輪,蝸輪與小齒輪空套在同一根軸上,再由小齒輪帶動(dòng)大齒輪,而大齒輪與曲柄連桿固定,大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄連桿繞大齒輪中心點(diǎn)作整周轉(zhuǎn)動(dòng),從而使通過鉸鏈與曲柄連桿連接的搖桿作往復(fù)擺動(dòng),達(dá)到風(fēng)扇搖頭的目的。
圖1 電風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)
離合器主要運(yùn)用滑銷的上下運(yùn)動(dòng),使得渦輪與蝸桿脫離或嚙合,從而實(shí)現(xiàn)搖頭的控制(如圖2所示)。
這種搖頭機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是固定軌跡的循環(huán)連續(xù)搖頭運(yùn)動(dòng),無法滿足需要在任意角度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)小區(qū)域掃描搖頭的自動(dòng)尋蹤的目標(biāo)。因此,自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)不能采用傳統(tǒng)電扇的搖頭機(jī)構(gòu)。
圖2 離合器結(jié)構(gòu)
電風(fēng)扇自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過檢測有效工作區(qū)域內(nèi)人群的范圍和位置,實(shí)現(xiàn)電風(fēng)扇在對(duì)應(yīng)的角度范圍內(nèi)的可控?fù)u頭送風(fēng)。
其主要功能如下:
(1)感應(yīng)人體位置和范圍;
(2)實(shí)時(shí)檢測電風(fēng)扇的當(dāng)前方向;
(3)在可控角度范圍內(nèi)搖頭。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的感應(yīng)尋蹤,系統(tǒng)采用多個(gè)紅外光電開關(guān)來監(jiān)控各個(gè)方向人體的存在;采用接近開關(guān)組來實(shí)時(shí)檢測電風(fēng)扇當(dāng)前運(yùn)行方向;采用獨(dú)立雙向電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)任意角度范圍內(nèi)的搖頭。
因此,自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)由基于紅外接近開關(guān)的人體位置感應(yīng)裝置、單片機(jī)控制裝置、雙向電動(dòng)機(jī)及電風(fēng)扇實(shí)時(shí)角度檢測裝置等構(gòu)成。
對(duì)目標(biāo)人群的位置和范圍邊界的確定,需要能智能識(shí)別人體的接近。漫反射型紅外光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體,光發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)目標(biāo)人體表面反射,并可由光電傳感器接受和轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此可采用紅外光電開關(guān)檢測目標(biāo)人體的存在。而目標(biāo)人群的位置和范圍則需要多個(gè)光電開關(guān)的分布和組合共同實(shí)現(xiàn)。
在電風(fēng)扇的座體支架上,7個(gè)漫反射型光電開關(guān)呈弧形分布,同時(shí)對(duì)應(yīng)7個(gè)信號(hào)燈D1~D7,分布如圖3所示。當(dāng)在感應(yīng)范圍內(nèi)有多人存在時(shí),多個(gè)光電開關(guān)被同時(shí)觸發(fā),通過單片機(jī)編程,運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)相距最遠(yuǎn)的2個(gè)有信號(hào)的紅外光電開關(guān)位置作為搖頭范圍的邊界,并點(diǎn)亮相對(duì)應(yīng)的燈,標(biāo)示人群范圍。
圖3 光電開關(guān)分布示意圖
圖4 接近開關(guān)與定位桿分布示意圖
如圖4所示,7個(gè)呈弧形分布的反射型光電接近開關(guān)對(duì)稱分布于電風(fēng)扇的座體支架靠近扇頭的部位,每個(gè)接近開關(guān)對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的指示燈d1~d7;扇頭下面,有一根固定在扇頭上的定位桿,搖頭時(shí),定位桿隨著扇頭繞中心點(diǎn)擺動(dòng)。定位桿在擺動(dòng)時(shí),觸動(dòng)其正下方的接近開關(guān),并使相應(yīng)的燈點(diǎn)亮,以顯示當(dāng)前對(duì)準(zhǔn)方向。有序排列的接近開關(guān)便可反饋實(shí)時(shí)運(yùn)行位置及對(duì)準(zhǔn)方向。
在主軸電動(dòng)機(jī)的后面,用一個(gè)獨(dú)立的雙向電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)主電機(jī)的后軸,來實(shí)現(xiàn)可控角度的搖頭動(dòng)作,如圖5所示:
圖5 雙向電機(jī)控制示意圖
(1)當(dāng)控制端1得電(高電平),控制端2失電(低電平)時(shí),電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);
(2)當(dāng)控制端1失電(低電平),控制端2得電(高電平)時(shí),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);
(3)當(dāng)控制端1與控制端2都失電(低電平)時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);
因此,協(xié)調(diào)控制端1和控制端2的得電與失電的時(shí)間,便能有效地控制電風(fēng)扇搖頭的方向與角度。
假設(shè):(1)由光電開關(guān)確定的人群范圍為Dmin、Dmax;
(2)初始扇頭的方向?yàn)閐n;
(3)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)是扇頭向燈號(hào)增大的方向搖動(dòng)。
①智能電風(fēng)扇自動(dòng)開啟處時(shí)刻,與n、min、max的關(guān)系未知:
a.當(dāng)n<min時(shí),扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之外,故用單片機(jī)控制使雙向電動(dòng)機(jī)上控制端1得電(高電平),控制端2失電(低電平),電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);
b.當(dāng)n<max時(shí),扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之外,故用單片機(jī)控制使雙向電動(dòng)機(jī)上控制端1失電(低電平),控制端2得電(高電平),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn);
c.當(dāng)min<n<max時(shí),即扇頭當(dāng)前方向在人群范圍之內(nèi),所以不管向哪個(gè)方向搖頭都是合適的,因此,人為設(shè)置雙向電動(dòng)機(jī)初始狀態(tài)為正轉(zhuǎn)。在此情況下,控制端1與控制端2不做任何改變。
②當(dāng)智能電風(fēng)扇開啟之后,隨著扇頭的搖動(dòng),也隨之不斷地變化,并且必定會(huì)向其中之一趨近。
a.當(dāng)n=min時(shí),需要使扇頭向max方向轉(zhuǎn)動(dòng),即雙向電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);
b.當(dāng)n=max時(shí),需要使扇頭向min方向轉(zhuǎn)動(dòng),即雙向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。
圖6 雙向電動(dòng)機(jī)控制框圖
在多人自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)下,若只有單一紅外接近開關(guān)有信號(hào)時(shí),設(shè)置min=0,并通過搖頭控制使n=max(此時(shí)扇頭對(duì)準(zhǔn)唯一的人),設(shè)置控制端1與控制端2都失電(低電平),此時(shí)雙向電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),即扇頭停止搖動(dòng),進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)送風(fēng)。
由此,多人自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)也兼容單人自動(dòng)尋蹤對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。
本文所述的電風(fēng)扇自動(dòng)尋蹤系統(tǒng)通過采用紅外感應(yīng)技術(shù),確定目標(biāo)人群的范圍;采用接近開關(guān)組,實(shí)時(shí)判斷電風(fēng)扇當(dāng)前方向;并利用單片機(jī)控制雙向電機(jī),實(shí)現(xiàn)可控角度范圍內(nèi)的送風(fēng),最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋蹤,使電風(fēng)扇的送風(fēng)系統(tǒng)更加的智能化和人性化。
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