具有自动移动和姿态控制能力的真空吸尘器及其控制方法.pdf

本发明公开一种真空吸尘器，其包括：真空吸尘器的主体(1)；以可旋转的方式安装在主体处的轮子(2)；用于驱动轮子(2)的驱动单元；位于主体处的传感器(71)，用于感测主体(1)的倾斜方向；以及控制单元，用于根据由传感器(71)感测到的主体(1)的倾斜方向来控制驱动单元。在此构造中，能够根据倒摆控制理论来控制真空吸尘器的主体(1)的姿态。因此，真空吸尘器的主体(1)能够保持其姿态而不倒下。

1.  一种真空吸尘器，包括：
真空吸尘器的主体；
以可旋转的方式安装在所述主体处的轮子；
用于驱动所述轮子的驱动单元；
位于所述主体处的传感器，所述传感器用于感测所述主体的倾斜方向；以及
控制单元，所述控制单元用于根据由所述传感器感测到的所述主体的倾斜方向来控制所述驱动单元。

2.  如权利要求1所述的真空吸尘器，其中，所述轮子的外径比所述主体的外径大。

3.  如权利要求1所述的真空吸尘器，其中，所述传感器包括陀螺仪、加速度计、倾斜传感器和电位计中的任一种。

4.  如权利要求1所述的真空吸尘器，其中，所述传感器面对底表面并通过测量所述传感器与所述底表面之间的距离来感测所述主体的倾斜方向。

5.  如权利要求1所述的真空吸尘器，其中，所述控制单元驱动所述驱动单元使得所述主体能够沿所述主体的倾斜方向移动。

6.  如权利要求1所述的真空吸尘器，包括：
连接于所述主体的吸嘴单元；和
位于所述主体和所述吸嘴单元处的一对相对应的传感器，用于测量所述主体和所述吸嘴单元之间的距离，
其中，所述控制单元驱动所述驱动单元使得所述主体的传感器和相对应的传感器之间的距离能够处于预定范围内。

7.  如权利要求6所述的真空吸尘器，其中，安装有两对或更多对相对应的传感器，且所述控制单元通过比较各对相对应的传感器间的距离来控制所述驱动单元的驱动方向和速度。

8.  如权利要求1所述的真空吸尘器，还包括：
线筒；和
线筒驱动单元，
其中，所述控制单元根据用于驱动所述轮子的所述驱动单元的操作来驱动所述线筒驱动单元。

9.  一种控制真空吸尘器以使主体沿主体的倾斜方向移动的方法，包括：
感测所述主体的倾斜方向的第一步骤；
计算所述主体的驱动方向和速度的第二步骤；以及
根据在所述第二步骤中计算出的值来驱动驱动单元的第三步骤。

10.  如权利要求9所述的方法，其中，所述第三步骤控制用于驱动各个轮子的各个驱动单元。

11.  如权利要求9所述的方法，其中，所述第三步骤还包括根据在所述第二步骤中计算出的值来驱动线筒驱动单元的过程。

具有自动移动和姿态控制能力的真空吸尘器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种真空吸尘器，更具体地，本发明涉及一种能够感测主体的倾斜方向并驱动轮子从而使主体能够保持其姿态而不倒下的真空吸尘器。
背景技术
真空吸尘器通过安装在主体中的真空马达所产生的真空压力吸入含有杂质的空气，在主体中将杂质过滤掉，并且收集并倒掉杂质。
真空吸尘器通过吸嘴吸入含有杂质的空气。当用户想要进行大面积清洁时，他/她必须不断地改变吸嘴的位置，因此必须不断地移动连接于吸嘴的主体。
图1示出了传统的真空吸尘器。在该传统真空吸尘器中，主体1包括轮子2。然而，当用户进行清洁时，为了移动主体1，他/她必须通过施加力来拉动主体1。除了清洁外，移动真空吸尘器也是费力的。这种工作对用户来说成为了体力负担，尤其是对妇女或病人或年长的人。结果，清洁变得更为费力和麻烦。为了解决上述问题，必须使移动吸尘器的牵引力最小化。此外，吸尘器必须能够根据用户的意愿移动或改变方向，即使在狭小的空间内也必须如此。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种能够控制驱动单元从而使主体能够保持其姿态而不倒下的真空吸尘器。
本发明的另一目的在于提供一种能够根据吸嘴单元的行进方向来控制主体的移动速度和方向并同时保持主体的姿态的真空吸尘器。
本发明的又一目的在于提供一种能够通过驱动线筒驱动单元来控制线筒的松开长度并同时保持主体的姿态且移动主体的真空吸尘器。
本发明的又一目的在于提供一种控制真空吸尘器使得真空吸尘器的主体能够保持其姿态的方法。
本发明的又一目的在于提供一种控制真空吸尘器使得真空吸尘器的主体能够保持其姿态从而将与吸嘴单元之间的距离保持在预定范围内的方法。
本发明的又一目的在于提供一种控制能够根据真空吸尘器的主体的移动方向和速度来驱动线筒的真空吸尘器的方法。
技术问题
提供了一种真空吸尘器，包括：真空吸尘器的主体；以可旋转的方式安装在主体处的轮子；用于驱动轮子的驱动单元；位于主体处的传感器，用于感测主体的倾斜方向；以及控制单元，该控制单元用于根据由传感器感测到的主体的倾斜方向来控制驱动单元。在此构造中，能够根据倒摆控制理论控制真空吸尘器主体的姿态。因此，真空吸尘器的主体能够保持其姿态而不倒下。
在本发明另一方面，轮子的外径大于主体的外径。在此构造中，由于轮子的外径大，所以主体能够容易地改变方向。另外，真空吸尘器能够容易地越过诸如门槛的障碍物。
在本发明又一方面，传感器包括陀螺仪、加速度计、倾斜传感器和电位计中的任一种。
在本发明又一方面，传感器面对底表面，并通过测量传感器与底表面之间的距离来感测主体的倾斜方向。在此构造中，诸如超声波传感器或红外传感器的简单的距离测量传感器测量传感器与底表面之间距离的增大和减小，并确定真空吸尘器主体的倾斜方向。
在本发明的又一方面，控制单元驱动驱动单元使得主体能够沿其倾斜方向移动。
在本发明的又一方面，真空吸尘器还包括：连接于主体的吸嘴单元；以及位于主体处和吸嘴单元处的一对相对应的传感器，用于测量主体与吸嘴单元之间的距离，其中，控制单元驱动驱动单元使得主体的传感器与相对应的传感器之间的距离能够处于预定范围内。此构造不仅控制主体的姿态，还将主体与吸嘴单元之间的距离保持在预定范围内，这为用户提供了便利。
在本发明的又一方面，安装有两对或更多对相对应的传感器对，且控制单元通过比较各对相对应的传感器的距离来控制驱动单元的驱动方向和速度。在此构造中，主体能够相对于吸嘴单元的移动方向移动，从而为用户提供了便利。
在本发明的又一方面，真空吸尘器还包括线筒和线筒驱动单元，其中，控制单元根据用于驱动轮子的驱动单元的操作来驱动线筒驱动单元。在此构造中，由于控制动单元根据主体的运动控制线筒驱动单元以绕线和解线，用户可以省略清洁前的解线过程和清洁后的绕线过程。
此外，提供了一种控制真空吸尘器以使主体沿主体的倾斜方向移动的方法，所述方法包括：感测主体的倾斜方向的第一步骤；计算主体的驱动方向和速度的第二步骤；以及根据在第二步骤中计算出的值来驱动驱动单元的第三步骤。
在本发明的另一方面，所述第三步骤控制用于驱动各个轮子的各个驱动单元。
在本发明的又一方面，所述第三步骤还包括根据在所述第二步骤中计算出的值来驱动线筒驱动单元的过程。
有利效果
在根据本发明的真空吸尘器以及控制该真空吸尘器的方法中，真空吸尘器的主体能够通过应用倒摆控制理论在运动过程中控制其姿态。
在根据本发明的真空吸尘器以及控制该真空吸尘器的方法中，由于主体是根据相对于吸嘴单元的相对位置而被自动驱动的，所以在清洁过程中用户不必自己来拉动主体。因此，能够减少或省去移动真空吸尘器主体的劳动。
在根据本发明的真空吸尘器以及控制该真空吸尘器的方法中，线筒驱动单元安装在电源线线筒处，用于根据真空吸尘器主体的运动自动地解开电源线或绕起电源线。因此，用户不必在清洁前将电源线解开到足够的长度，并且不必在清洁后绕线筒绕起电源线。
附图说明
图1是示出传统真空吸尘器的一个示例的视图；
图2和图3是帮助解释用于本发明的控制的倒摆控制理论的典型视图；
图4后图5是示出根据本发明一个实施例的具有姿态控制功能的真空吸尘器的视图；
图6是示出根据本发明另一实施例的包括用于测量吸嘴单元和主体之间的距离的传感器的具有姿态控制功能的真空吸尘器；
图7是示出根据本发明又一实施例的包括线筒驱动单元的具有姿态控制功能的真空吸尘器；以及
图8和图9是典型示出了根据本发明一个实施例的控制真空吸尘器的方法的流程图。
具体实施方式
将参照附图对根据本发明优选实施例的真空吸尘器及其控制方法进行详细描述。
图2示出了用于说明本发明的倒摆控制理论的模型。将通过简单的示例简要说明本发明的倒摆原理。当将棍子立在手掌上时，棍子略一失衡就容易地倒下。也就是说，棍子的上部转动并倒下。在这种情形下，如果手掌(也就是说，棍子的下部)沿棍子上部的下落方向移动，则棍子不会倒下。倒摆控制理论利用的正是该原理。
在图2中，棍子和竖直线所形成的角度定义为‘θ’。假定小车的质量为‘M’，摆的质量为‘m’，棍子的长度为“l”，并且摆的质量m集中在棍子的悬吊摆的那个端部上。当该系统限于xy平面上的二维运动模型并且摆的质量m的重心的坐标用(x_G，y_G)表示时，下面的关系式成立：
公式1
x_G＝x+lsinθ，y_G＝lcoSθ
当对包括小车和质体的整个系统应用牛顿第二定律时，x方向的平动的运动方程由下式表示：
公式2
Md2dt2x+md2dt2xG=Md2dt2x+Md2dt2(x+lsinθ)=u]]>
可以总结如下
公式3
(M+m)x″-ml(sinθ)θ′²+ml(cosθ)θ″＝u
悬在棍子上的质量m执行绕固定于小车的棍子的轴线的转动。这种转动可通过下式来表示：
公式4
md2dt2xGlcosθ-md2dt2yGlsinθ]]>
=m[d2dt2(x+lsinθ)]lcosthetα-m[d2dt2(lcosθ)]lsinθ]]>
=mglsinθ]]>
公式5
m[x″-l(sinθ)θ′²+l(cosθ)θ″]lcosθ+m[l(cosθ)θ′²+l(sinθ)θ″]lsinθ＝mglsinθ
这里，‘g’表示重力加速度。上式可简化为：
公式6
mx″cosθ+mlθ″＝mg sinθ
上面推导出的公式5和6的运动方程是非线性微分方程。意在使倒摆保持竖直位置。因此，可以假定角度θ和角速度θ′(即ω)都是非常小的值，即：
θ≈0，θ′≈0
此时，由于满足cosθ≈1，sinθ≈0，
所以，公式5和6可线性化为下面的线性方程：
公式7
(M+m)x″+mlθ″＝u
mx″+mlθ″＝mgθ
当角度θ和角速度θ′在小范围内变化时，公式7近似满足。更理想的是，不断控制真空吸尘器主体的姿态使得角度θ和角速度θ′位于小范围内，因为这缩短了用于主体的姿态控制的轮子行驶距离。因此，公式7可在线性方程的假定下使用。将上述倒摆控制理论应用于称作赛格威思维车(segway)的载人装置的姿态控制和人型机器人的行走姿态控制。
图3典型示出了根据本发明的质量系统和控制方法。如果保持平衡状态的质量系统向前倾，则该质量系统向前移动以再次达到平衡。如果质量系统向后倾，则质量系统向后移动。
在普通摆的情况下，重量(即质心)悬在固定点上。在普通摆的情况下，质心发生移动以使质量系统能够保持稳定状态，即平衡状态。重量从较高的位置下降到具有最低势能的最底点，在该最底点处于稳定状态。相反，倒摆由非固定点支撑，且质心位于最高位置处。当质心支撑在与底表面垂直的最高点时，质量系统处于稳定状态。当质心不是垂直地支撑而是倾向于任一侧时，为了返回到平衡状态，与普通摆系统不同的是，支撑点移动至质点所倾向于的那一侧。本发明应用后面的倒摆理论。
参照图4，根据本发明的一个实施例，轮子2的外径2比真空吸尘器主体1的外径大。当轮子2的外径大时，这对真空吸尘器改变方向或越过门槛是有利的。在主体1处安装有面对底表面的传感器71。传感器71能够测量传感器71与底表面之间的距离变化以及传感器71对底表面的相对速度和加速度，或测量角度变化或角速度和角加速度。控制单元(未示出)接收由传感器71测得的值，计算主体1保持姿态而不倒下所需的移动速度和移动方向，并对驱动单元发出用于驱动轮子2沿计算出的方向以计算出的速度移动的指令。也就是说，驱动单元根据上述倒摆控制理论被驱动。
因此，当用户想要向前移动主体1时，用户通过使用连接于主体1的把手4使主体1微微前倾，从而主体1自身控制其姿态并自动沿用户期望的方向移动。此外，尽管用户不是有意要使主体1倾斜，但在用户向前移动并进行清洁时，他/她前推吸嘴单元3和连接于主体1的把手4，使得主体1被把手4拉动而前倾。在实际使用中，主体1随着用户的运动而平顺地移动。
如图5所示，根据本发明的一个实施例，当在主体1的两侧安装两个轮子2并安装两个驱动单元用以分别控制轮子2时，主体1能够转动并改变方向，且向前和向后移动。由于真空吸尘器的主体1能够沿包括向前和向后方向的任何方向倾斜，所以更优选的是分别控制两个轮子2以改变方向。
参照图6，根据本发明更优选的实施例，安装有用于测量主体1和吸嘴单元3之间距离的一对或多对传感器72和73，用以相对于吸嘴单元3的运动来移动主体1。传感器72和73可以是诸如红外传感器和超声波传感器的光学传感器。例如，距离测量传感器72和73彼此对应地安装在吸嘴单元3和主体1处。传感器72和73之间的距离即为吸嘴单元3和主体1之间的距离。如果吸嘴单元3和主体1彼此远离，则主体1向前朝吸嘴单元3移动，以保持与吸嘴单元3的足够距离。如果吸嘴单元3和主体1彼此靠近，则主体1向后移动。当主体1相对于吸嘴单元3移动时，控制单元根据倒摆控制理论控制主体1的姿态，使得主体1不倒下。
如图7所示，根据本发明的又一实施例，线筒驱动单元8安装在电源线线筒10处。当控制单元向驱动单元发出驱动命令以驱动轮子2时，如果控制单元将包含相同的速度或速率的驱动指令发送到线筒驱动单元8，则线筒驱动单元8随着主体1的运动自动地解开电源线6。因此，当用户不进行清洁时，他/她可省略事先将电源线解开到充分长度的过程。
本发明还提供一种控制真空吸尘器的方法。当用户移动以将杂质吸入吸嘴单元3中时，他/她通常抓住把手4并向前或向后移动吸嘴单元3。如果用户向前移动把手4，主体1则向前倾。根据本发明一个实施例，对主体1的倾斜方向进行测量。主体1的倾斜方向和距离可通过测量相对于底表面的倾斜角度或距离而计算出。如上所述，可使用诸如陀螺仪、加速度计、倾斜传感器和电位计的各种传感器来测量主体1的倾斜方向和角度。在已经测得主体1的倾斜方向和角度后，可根据倒摆控制理论来计算主体1再次达到平衡状态所需的移动方向和速度。控制单元计算这些值并向驱动单元发出驱动指令以使主体1能够沿计算出的方向、以计算出的速度移动。
根据本发明另一实施例，提供了一种控制用于驱动安装在主体1处的两个轮子2的驱动单元的方法。当用户进行清洁时，他/她可转到左侧或右侧以及向前或向后移动。当用户移动把手4到左侧或右侧时，主体1向左侧或右侧倾斜。在这种情况下，主体1的移动方向计算为左向或右向。为了发出让主体沿计算出的方向移动的指令，控制单元必须能够分别控制驱动单元。例如，如果主体1需要较快地移到右侧，则可将左驱动单元的转数调得高于右驱动单元的转数。如果主体1需要在该同一位置改变方向，则可将一个轮子驱动单元停下来而驱动另一个轮子驱动单元。也就是说，该实施例提供的是分别控制用于驱动轮子2的驱动单元的方法。
根据本发明又一实施例，提供了一种在驱动轮子2的同时控制自动电源线线筒10以便绕起或解开电源线6的方法。控制单元接收关于主体1的倾斜方向和角度的信息，计算主体1的轮子2的驱动速度和方向，并向驱动单元发出驱动指令。这里，如果以与轮子2的驱动速度和方向相同的速度和方向绕电源线线筒10绕起电源线6或从电源线线筒10解开电源线6，则电源线6保持恒定的张力。当电源线6的松开长度被调节到充分的水平时，用户可以方便地进行清洁。必须在线筒10处安装线筒驱动单元8。优选地，线筒驱动单元8是能够执行向前/向后转动的马达，更优选地是能够执行向前/向后转动的步进马达。
尽管已经描述了本发明的优选实施例，但应当理解，本发明不应限于这些优选实施例，而是能够在所要求的本发明精神和范围内由本领域普通技术人员作出各种改变和变型。