CN108099447B - 一种智能黑板系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及智能黑板系统该系统包括黑板和智能黑板擦机器人；智能黑板擦机器人包括：外壳、黑板擦、轴流风机、三个车轮、引风通道、两个行走电机、一对相互垂直的测距传感器、蓝牙模块、供电装置和单片机；黑板可书写区域外边缘设一对相互垂直的挡板，所述相互垂直的挡板与所述一对相互垂直的测距传感器相匹配，用于对智能黑板擦机器人定位。本发明所述智能黑板擦机器人具有擦除和绘图的双重功能。同时本发明开发了手机软件，与智能黑板擦机器人通过蓝牙通讯，可对黑板指定位置进行擦除和任意图形的绘制。针对系统中智能黑板擦机器人的供电环节采用无线供电方式，避免了对智能黑板擦机器人更换电池，并且不需要拖着连接线，方便美观，绿色环保。

Description

一种智能黑板系统
技术领域
本发明涉及智能机器人领域，具体说是一种智能黑板系统。
背景技术
老师和学生普遍认为用湿抹布或板擦擦黑板需要花费比较长的时间并且擦除效果不尽人意。在擦黑板期间粉笔灰会被人体吸入肺部造成呼吸道损伤，洗去手上的粉笔灰时使用的碱性洗涤剂同样也会伤及皮肤。在一节40分钟的课上，老师可能需要3-5分钟来擦黑板，降低了课堂利用率。
实用新型专利(CN 204894909 U)提供了一种无线充电感应式吸尘黑板擦，包括外壳、毛刷条和轴流电风扇，毛刷条设在外壳的前侧，在外壳内装有轴流电风扇，在外壳的前侧设有粉尘吸入孔，在外壳的后面或侧面设有排气孔，在外壳内设有粉尘收集仓和电池，其特征在于，在所述外壳的前侧和侧面内部分别设有红外测距传感器和人体感应器；所述的电池为可充电电池，在该外壳内设有无线充电接收器和控制器，该无线充电接收器的输出端与该可充电电池连接，所述的红外测距传感器、人体感应器的输出端分别与控制器的不同输入接口连接，控制器的输出端与轴流电风扇连接。
实用新型专利(CN 205553707 U)提供了一种吸尘式黑板擦，包括黑板擦主体及擦头，所述黑板擦主体下端设置有前后贯通的卡槽，所述擦头包括一体成型的卡块及毛刷体，所述卡块长度大于毛刷体的长度，所述卡块与卡槽配合，所述卡块通过插销与黑板擦主体固定，所述黑板擦主体及卡块上均设置有与插销适配的插孔；所述黑板擦主体下端左右两侧对称设置有多个吸尘口，所述吸尘口均与黑板擦主体中部的集尘腔联通，所述集尘腔为水平设置且左侧为开口，所述开口处设有带密封圈的堵头；所述集尘腔上端通过引风通道与其上方的引风腔相连通，所述集尘腔内位于引风通道出设有积尘袋；所述引风腔位于黑板擦主体左侧，所述引风腔右侧设置有锂电池腔；所述引风腔内设置有引风机，所述引风机由设置黑板擦主体上端的电机驱动，所述引风腔左侧设置有多个排风口；所述锂电池腔内设置有锂电池，所述锂电池右侧设置有无线充电接收器，所述无线充电接收器与锂电池电连接；所述黑板擦主体上端设置有手柄，所述手柄位于电机右侧，所述黑板擦主体右侧设置有控制器，所述控制器与电机及无线充电接收器电连接。
现有技术中存在如下缺点：
①黑板擦需要人工操作，没有实现完全的自动化；
②采用的无线电能传输技术是定点式无线供电技术，即使用完成后，必须将黑板擦放在指定的无线充电盘上，没有实现自动供电；
③仅具有擦除功能，没有绘图功能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能黑板系统，该系统可以使老师和同学避免擦黑板带来的潜在健康威胁，提升擦黑板的速度和效果，同时提升课堂效率。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种智能黑板系统，该系统包括黑板5a和带有无线充电系统的智能黑板擦机器人5b；
所述智能黑板擦机器人5b包括：
外壳7，
黑板擦11、轴流风机13和三个车轮，所述三个车轮为两个主动轮12a、12b和一个万向轮8，轴流风机13的进风面、和每个所述车轮的底部位于外壳7底部之外，黑板擦11的擦面位置为可调节式，使所述擦面和所述车轮的底部可被下放并擦除或收回于外壳7内，
引风通道21，所述引风通道21的进风口设于轴流风机13运行时的出风方向上，引风通道21的出风口设于外壳7外并与粉尘收集装置18相连，使智能黑板擦机器人5b内侧压力小于外侧压力，即形成负压吸附于黑板5a上并收集粉尘，
两个行走电机20a、20b，分别与主动轮12a、12b连接，用于驱动车轮转动，
一对相互垂直的测距传感器6a、6b，设于外壳7侧壁上，
压力传感器6c，设于外壳7底面上，
供电装置，与所述轴流风机13、所述行走电机20a、20b、每个所述测距传感器6a、6b分别电连接，用于提供电能；
电能变换器15b，设于外壳7内，
单片机15c，设于外壳7内，与所述行走电机20a、20b、所述轴流风机13、每个所述测距传感器6a、6b、所述压力传感器6c和所述电能变换器15b分别连接，同时与外部控制设备(如手机)连接，以控制所述智能黑板擦机器人5b包括停、走、擦(和/或写)在内的所有动作；
在所述黑板5a可书写区域外边缘设一对相互垂直的挡板4a、4b，所述挡板4a、4b与其所在外边缘的长度相同或相近，所述相互垂直的挡板4a、4b与所述一对相互垂直的测距传感器6a、6b相匹配，用于对智能黑板擦机器人5b定位。
在上述方案的基础上，所述供电装置包括无线供电接收线圈9，设于外壳7内的底部，与所述电能变换器15b连接；
在所述黑板5a可书写区域的背面设若干相互并联的无线供电发射线圈3，每个无线供电发射线圈3分别与一个供电开关2电连接；
所述无线供电接收线圈9与每个无线供电发射线圈3之间通过电磁耦合方式传送能量。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b还包括书写笔10、升降舵机16a和可竖直上下移动的螺杆14a，书写笔10的末端固定于螺杆14a末端，螺杆14a的另一端与升降舵机16a连接，升降舵机16a通过电能变换器15b与所述无线供电接收线圈9电连接，并受单片机15c控制，用于使书写笔10下放并书写或收回至外壳7内。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b的外壳7内设有升降舵机16b和可竖直上下移动的螺杆14b，黑板擦11的背面固定于螺杆14b末端，螺杆14b的另一端与升降舵机16b连接，升降舵机16b通过电能变换器15b与所述无线供电接收线圈9电连接，并受单片机15c控制，用于使黑板擦11下放并擦除或收回至外壳7内；
和/或，所述智能黑板擦机器人5b还包括可拆卸式的粉尘收集盒18，设于外壳7外，并与引风通道21相通；
和/或，所述引风通道21为竖直管道；
和/或，两个电池17a、17b，设于外壳7内壁上，作为无线电能传输系统不能正常工作时候的紧急电源；
和/或，所述测距传感器6a、6b为超声波测距传感器；
所述压力传感器6c用于检测所述智能黑板擦机器人5b与黑板5a之间的压力，并将所述压力数据传送给所述单片机15c，以调节轴流风机13的转速，使所述压力的大小适合；(即产生合适的负压使智能黑板擦机器人5b贴在黑板5a上，并且不影响其正常行驶。)
和/或，所述三个车轮呈等腰三角形排布于外壳7底部边缘，该等腰三角形的顶点为万向轮8，该等腰三角形的两个底点分别为主动轮12a、12b，万向轮8为从动轮，主动轮12a、12b通过行走电机20a、20b驱动。
在上述方案的基础上，所述万向轮8为转向轮，
和/或，所述行走电机20a、20b为直流减速电机，使主动轮12a、12b通过差速方式实现转弯；
和/或，所述智能黑板擦机器人5b中包括测距传感器6a、6b，单片机通过测距传感器6a、6b测量智能黑板擦机器人5b与挡板4a、4b之间距离，以判断当前所处位置。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b中包括电机驱动模块15a、和/或测距传感器6a、6b、和/或蓝牙模块15d，
所述电机驱动模块15a分别与单片机15c和行走电机20a、20b连接，用于将单片机15c的控制指令发送给行走电机20a、20b，
所述行走电机20a、20b通过其上的电机编码器输出的脉冲获取电机的转速反馈给单片机15c，
所述测距传感器6a、6b用于获取智能黑板擦机器人5b的位置信息，该测距传感器与单片机15c连接，用于将智能黑板擦机器人5b的位置信息传送给单片机15c，
所述蓝牙模块15d将单片机15c和外部控制设备(如手机)连接，用于将外部控制设备(如手机)的指令发送给单片机15c。
在上述方案的基础上，所述智能黑板系统采用基于PID算法的闭环控制系统，受控对象为行走电机20a、20b。
在上述方案的基础上，所述PID算法为位置式数字PID算法，其表达式为：
式(1)中，u(t)为控制量；e(t)为t时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；TS为积分时间；TD为微分时间，t为控制器采样时刻，τ为中间变量；
采用全量算法，通过差分代微分，可将表达式化简为：
式(2)中，u(k)为第k个采样时刻的控制量；e(k)为第k个采样时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；KS为积分放大系数；KD为微分放大系数；u0为控制量的基值，即k＝0的控制量。
在上述方案的基础上，为保证智能黑板擦机器人5b时刻保持设定的运动轨迹，单片机15c实时通过测距传感器6a、6b测量与挡板4a、4b的距离，实现自身的定位，并与设定位置比较，通过两个主动轮12a、12b的差速实现转弯，从而调整位置。
在上述方案的基础上，所述智能黑板系统中还包括平台4c，所述平台4c设于黑板5a书写区域下方，并垂直于黑板5a，用于停靠所述智能黑板擦机器人5b；
和/或，所述智能黑板系统中还包括三个指示灯19，分别用于指示所述轴流风机13、所述行走电机20a、20b、所述测距传感器6a、6b是否与所述供电装置接通。
本发明的有益效果如下：
为了使黑板系统更加智能，本发明改善了智能黑板擦机器人，使其具有擦除和绘图的双重功能。同时为了方便使用，本发明开发了手机软件，与智能黑板擦机器人通过蓝牙通讯，可对黑板指定位置进行擦除和任意图形的绘制，方便老师授课。针对系统中智能黑板擦机器人的供电环节采用无线供电方式，这种供电方式避免了对智能黑板擦机器人更换电池，并且不需要拖着连接线，方便美观，绿色环保。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为黑板结构示意图。
图2为智能黑板擦机器人仰视图。
图3为智能黑板擦机器人剖视图。
图4为运动及定位机构结构示意图。
图5为PID控制算法简化示意图。
图6为智能黑板擦硬件结构。
图7为绘图过程程序流程图。
图8为擦除过程程序流程图。
图9为无线供电原理图。
图10为移动式供电示意图。
图11为等效电路图。
图12为输出电压与位置关系示意图。
图13为输出电压与位置关系随间距变化情况示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1—3所示，本发明所述的智能黑板系统，包括黑板5a和带有无线充电系统的智能黑板擦机器人5b；
所述智能黑板擦机器人5b包括：
外壳7，
黑板擦11、轴流风机13和三个车轮，所述三个车轮为两个主动轮12a、12b和一个万向轮8，轴流风机13的进风面、和每个所述车轮的底部位于外壳7底部，黑板擦11的擦面位置为可调节式，使所述擦面和所述车轮的底部可被下放并擦出或收回于外壳7内，
引风通道21，所述引风通道21的进风口设于轴流风机13运行时的出风方向上，引风通道21的出风口设于外壳7外并与粉尘收集装置18相连，使智能黑板擦机器人5b内侧压力小于外侧压力，即形成负压吸附于黑板5a上并收集粉尘，
两个行走电机20a、20b，分别与主动轮12a、12b连接，用于驱动车轮转动，
一对相互垂直的测距传感器6a、6b，设于外壳7侧壁上，
压力传感器6c，设于外壳7底面上，
供电装置，与所述轴流风机13、所述行走电机20a、20b、每个所述测距传感器6a、6b分别电连接，用于提供电能；
电能变换器15b，设于外壳7内，
单片机15c，设于外壳7内，与所述行走电机20a、20b、所述轴流风机13、每个所述测距传感器6a、6b、所述压力传感器6c和所述电能变换器15b分别连接，同时与外部控制设备(如手机)连接，以控制所述智能黑板擦机器人5b包括停、走、擦(和/或写)在内的所有动作；
在所述黑板5a可书写区域外边缘设一对相互垂直的挡板4a、4b，所述挡板4a、4b与其所在外边缘的长度相同或相近，所述相互垂直的挡板4a、4b与所述一对相互垂直的测距传感器6a、6b相匹配，用于对智能黑板擦机器人5b定位。
在上述方案的基础上，所述供电装置包括无线供电接收线圈9，设于外壳7内的底部，与所述电能变换器15b连接；
在所述黑板5a可书写区域的背面设若干相互并联的无线供电发射线圈3，每个无线供电发射线圈3分别与一个供电开关2电连接；
所述无线供电接收线圈9与每个无线供电发射线圈3之间通过电磁耦合方式传送能量。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b还包括书写笔10、升降舵机16a和可竖直上下移动的螺杆14a，书写笔10的末端固定于螺杆14a末端，螺杆14a的另一端与升降舵机16a连接，升降舵机16a通过电能变换器15b与所述无线供电接收线圈9电连接，并受单片机15c控制，用于使书写笔10下放并书写或收回至外壳7内。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b的外壳7内设有升降舵机16b和可竖直上下移动的螺杆14b，黑板擦11的背面固定于螺杆14b末端，螺杆14b的另一端与升降舵机16b连接，升降舵机16b通过电能变换器15b与所述无线供电接收线圈9电连接，并受单片机15c控制，用于使黑板擦11下放并擦除或收回至外壳7内；
和/或，所述智能黑板擦机器人5b还包括可拆卸式的粉尘收集盒18，设于外壳7外，并与引风通道21相通；
和/或，所述引风通道21为竖直管道；
和/或，两个电池17a、17b，设于外壳7内壁上，作为无线电能传输系统不能正常工作时候的紧急电源；
和/或，所述测距传感器6a、6b为超声波测距传感器；
所述压力传感器6c用于检测所述智能黑板擦机器人5b与黑板5a之间的压力，并将所述压力数据传送给所述单片机15c，以调节轴流风机13的转速，使所述压力的大小适合；(即产生合适的负压使智能黑板擦机器人5b贴在黑板5a上，并且不影响其正常行驶。)
和/或，所述三个车轮呈等腰三角形排布于外壳7底部边缘，该等腰三角形的顶点为万向轮8，该等腰三角形的两个底点分别为主动轮12a、12b，万向轮8为从动轮，主动轮12a、12b通过行走电机20a、20b驱动。
在上述方案的基础上，所述万向轮8为转向轮，
和/或，所述行走电机20a、20b为直流减速电机，使主动轮12a、12b通过差速方式实现转弯；
和/或，所述智能黑板擦机器人5b中包括测距传感器6a、6b，单片机通过测距传感器6a、6b测量智能黑板擦机器人5b与挡板4a、4b之间距离，以判断当前所处位置。
在上述方案的基础上，所述智能黑板擦机器人5b中包括电机驱动模块15a、和/或测距传感器6a、6b、和/或蓝牙模块15d，
所述电机驱动模块15a分别与单片机15c和行走电机20a、20b连接，用于将单片机15c的控制指令发送给行走电机20a、20b，
所述行走电机20a、20b通过其上的电机编码器输出的脉冲获取电机的转速反馈给单片机15c，
所述测距传感器6a、6b用于获取智能黑板擦机器人5b的位置信息，该测距传感器与单片机15c连接，用于将智能黑板擦机器人5b的位置信息传送给单片机15c，
所述蓝牙模块15d将单片机15c和外部控制设备(如手机)连接，用于将外部控制设备(如手机)的指令发送给单片机15c。
在上述方案的基础上，所述智能黑板系统采用基于PID算法的闭环控制系统，受控对象为行走电机20a、20b。
在上述方案的基础上，所述PID算法为位置式数字PID算法，其表达式为：
式(1)中，u(t)为控制量；e(t)为t时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；TS为积分时间；TD为微分时间，t为控制器采样时刻，τ为中间变量；
采用全量算法，通过差分代微分，可将表达式化简为：
式(2)中，u(k)为第k个采样时刻的控制量；e(k)为第k个采样时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；KS为积分放大系数；KD为微分放大系数；u0为控制量的基值，即k＝0的控制量。
在上述方案的基础上，为保证智能黑板擦机器人5b时刻保持设定的运动轨迹，单片机15c实时通过测距传感器6a、6b测量与挡板4a、4b的距离，实现自身的定位，并与设定位置比较，通过两个主动轮12a、12b的差速实现转弯，从而调整位置。
在上述方案的基础上，所述智能黑板系统中还包括平台4c，所述平台4c设于黑板5a书写区域下方，并垂直于黑板5a，用于停靠所述智能黑板擦机器人5b；
和/或，所述智能黑板系统中还包括三个指示灯19，分别用于指示所述轴流风机13、所述行走电机20a、20b、所述测距传感器6a、6b是否与所述供电装置接通。
具体如下：
一、产品结构
(1)吸附结构：黑板5a表面平滑，带有无线充电系统的智能黑板擦机器人5b又具有擦除和绘图功能，且对智能黑板擦机器人5b的运动速度具有一定要求，采用推力吸附式结构，优点是产生的力度适中，可以保证正常行驶。通过压力传感器6c检测智能黑板擦机器人5b与黑板5a之间的压力，调节轴流风机13的转速，产生合适的负压使智能黑板擦机器人5b贴在黑板5a上并不影响其正常行驶。
(2)运动机构：智能黑板擦机器人5b采用车轮式结构行走装置，该结构运动速度较快，结构简单，着地面积小。车轮布置方式采用常用的三车轮，即万向轮8和两个主动轮12a、12b的布置方式，万向轮8作为从动轮，后置左右两个主动轮12a、12b采用直流减速电机即行走电机20a、20b驱动，采用车轮间差速方式实现转弯，选用L298N为电机驱动模块15a。当智能黑板擦机器人5b超过5分钟未收到指令时，便自动返回到黑板5a右下角的平台4c停靠并关闭轴流风机13，等待下一次指令。
(3)定位机构：结合此智能黑板擦机器人5b运动区域为已知大小的固定的黑板5a区域，采用挡板+测距传感器结构进行距离测量的方式实现智能黑板擦机器人5b的定位。在黑板5a右方和顶端分别布置一块与黑板5a边长等长的挡板4b、4a，两块挡板组成一个正交坐标系的坐标轴，在智能黑板擦机器人5b车体上呈直角布置两个测距传感器6b、6a，通过这两个测距传感器分别测量与黑板5a边缘的距离来实现智能黑板擦机器人5b的精准定位。
由于智能黑板擦机器人5b擦除/绘图要求一定的速率要求，因此需要保证直流电机运转保持一定的速率，开环控制系统虽然简单，但由于供电电压变化、摩擦力变化等原因会使电机转速不稳定，因此本系统采用基于PID算法的闭环控制系统，保证电机转速的稳定。同时，为保证黑板擦机器人5b时刻保持设定的运动轨迹，单片机15c不断通过超声波测距传感器测量与挡板的距离，实现自身的定位，并与设定位置比较，通过左右轮的差速实现转弯，从而调整位置，结构示意图如图4。
在过程控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)、和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是一种应用最为广泛的一种自动控制器，按照其算法可分为增量式算法，位置式算法和微分先行，本系统采用位置式数字PID算法，其控制算法简化示意图如图5。
其算法表达式如下：
其中，u(t)为控制量；e(t)为t时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；TS为积分时间；TD为微分时间，t为控制器采样时刻，τ为中间变量。
采用全量算法，通过差分代微分，可将表达式化简为：
其中，u(k)为第k个采样时刻的控制量；e(k)为第k个采样时刻给定值与测量值的差值；KP为比例放大系数；KS为积分放大系数；KD为微分放大系数；u0为控制量的基值，即k＝0的控制量。
本系统采用单片机15c产生的PWM信号，经L298N电机驱动模块15a后控制行走电机20a、20b运转，通过行走电机20a、20b编码器输出的脉冲获取行走电机20a、20b的转速反馈给单片机，将实时采集的电机转速值与设定值进行比较，得出偏差，利用PID算法程序实现转速调节，提高了系统的控制精度，保证了智能黑板擦机器人5b运动转速的稳定性。
(4)擦除/绘图机构：该智能黑板擦机器人5b同时具有擦除和绘图的功能，将黑板擦11和书写笔10分别安装在螺杆14a、14b的一端，通过升降舵机16a、16b与螺杆14a、14b的配合，升降舵机正/反向实现黑板擦11和书写笔10的下放/收回。并在黑板擦11的区域安装一个小型的轴流风机13和用于储存粉尘的粉尘收集装置18，在擦黑板的过程中用于存储粉尘。
(5)控制系统：智能黑板擦机器人5b采用arduino mega 2560单片机15c作为控制核心，使用蓝牙模块15d与手机app实现通讯。智能黑板擦机器人5b机构如图6所示。
(6)供电系统：智能黑板擦机器人5b底部安装无线供电接收线圈9，黑板5a背面铺设无线供电发射线圈3，控制系统根据智能黑板擦机器人5b位置实时调整供电开关2保证智能黑板擦机器人5b实时受电。
二、智能黑板系统工作原理
I：绘图
1、用户用手机配套蓝牙连接智能黑板擦机器人5b。
2、由用户在配套手机app上选择作图。该app配有工具栏，里面提供有常见的基本图形(圆形，矩形，三角形等)的模版，画线工具(直线，曲线，线段)，文字工具，图形修改工具(放大，缩小等)。app提供的作图空间是由黑板5a书写区域等比例缩小的空白区域。操作者选中待绘图形形状，拖动至手机app的作图空间，并使用图形修改工具改动大小，或者手动输入实际待绘图形的尺寸信息。图形绘制完成后，用户点击：“绘制”。
3、手机app解析图形。首先，app将待绘图形分为若干段曲线和若干段线段(也可以全部是线段或者全部是曲线)。手机app根据待绘图形在手机app作图区域的位置以及尺寸大小，将线段解析为起止点坐标(Q1s、Q1e，Q2s、Q2e……)，将曲线按照等距离解析成足够多的有序的离散化的点坐标(P0，P1，P2……Pn)。之后将整个待绘图形按照绘制顺序编辑成一组坐标。
4、手机app通过蓝牙将一系列坐标发给智能黑板擦机器人5b。
5、智能黑板擦机器人5b根据接收到的坐标，运动至待绘图形的起始点坐标。若待绘图形为线段，则智能黑板擦机器人5b运动至线段起点坐标下放书写笔，运动至线段终点坐标抬起书写笔；若待绘图形为曲线，则智能黑板擦机器人5b运动至起始点坐标处下放书写笔10画点，抬起书写笔10运动至下一点坐标并下放书写笔10画点，如此往复，直至将所有点遍历。
6、待绘图形绘制完毕，智能黑板擦机器人5b通过蓝牙发送“完成”的消息给手机端，手机端app显示“作图完成”字样。
7、智能黑板擦机器人5b返回至预设起点处，等待下一指令。绘图过程程序示意图如图7。
II：擦除
1、用户用手机配套蓝牙连接智能黑板擦机器人5b。
2、由操作者在配套手机app上点击“擦除”，并根据需要选择全部擦除和部分擦除选项。
3、选择全部擦除时，手机app将全部擦除的命令发送至智能黑板擦机器人5b，智能黑板擦机器人5b按照预设轨迹将黑板5a遍历一遍，实现全部区域的擦除。选择部分擦除时，此时手机app工具栏与绘图功能时相同，操作者需要按照同样的方法在手机app的作图区域，绘制出待擦除区域。手机app根据操作者所画区域的位置和大小，解析为实际黑板5a待擦除区域的坐标，并将该区域划分为一条条横向带状区域，带状区域的宽度略小于智能黑板擦机器人5b上黑板擦11的宽度，手机app将这些横向带状区域的起止坐标发送至智能黑板擦机器人5b的单片机控制器，智能黑板擦机器人5b从当前区域行至待擦除区域，至横向带状区域的起点坐标，下放黑板擦11，横向运动至终点坐标，抬起黑板擦11，运动至下一条待擦除横向带状区域，如此往复，直至待擦除区域全部擦除完毕。
4、擦除完毕后，智能黑板擦机器人发送“完成”的消息给手机端，手机端app显示“擦除完成”字样。
5、智能黑板擦机器人返回至预设起点处，等待下一指令。擦除过程程序示意图如图8。
三、无线供电环节工作原理
使用变换器1将市电变换成高频交流电，该交流电输入无线供电发射线圈3，产生交变的电磁场。根据电磁感应原理，无线供电接收线圈9感应到交流电能，从而实现电能的非接触传输。为满足负载电机的供电要求，感应得到的高频交流电经过电能变换器15b得到直流电，通过系统参数的优化设计使输出电压满足智能黑板擦机器人5b中电机的供电要求。其中，D1-D4是交流市电到直流的整流二极管，D5-D8是接收部分的整流二极管，S1-S4是逆变器的开关管；L1、L2、LS分别是第一个发射线圈、第二个发射线圈以及接收线圈的电感，LP1(LP2)、Cr1(Cr2)、CP1(CP2)分别是第一个线圈(第二个线圈)发射补偿电感，并联补偿电容，串联补偿电容，CS为接收线圈补偿电容，M1S、M2S分别为第一个发射线圈与接收线圈互感和第二个发射线圈与接收线圈的互感。这些补偿电感电容组成了无线电能传输系统的LCC-S的补偿方式，即每个发射线圈采用电感/电容/电容的补偿，接收线圈采用串联电容补偿，这种补偿可以实现电压源输出，有利于负载电机的供电。
为了省去电池的使用，达到绿色环保的目的，采用移动式无线电能传输技术。在黑板后面根据面积，铺设如图10的多个发射线圈1-n。根据智能黑板擦机器人5b的位置，控制供电开关2实现线圈切换，保证该装置实时供电。同时，智能黑板擦机器人5b最多位于两个原边线圈(无线供电发射线圈)之上，此时无线供电原理图如图9可以转换为等效电路图11。
根据等效电路图11，基于基尔霍夫电压原理，列写电路电压电流方程如公式3所示。
其中：UP为等效交流输入电压的有效值，Iin1(Iin2)为补偿电感Lr1(Lr2)流过的电流，IP1(IP2)为发射线圈电感LP1(LP2)流过的电流，REq为负载等效电阻，ZP1、ZP2、ZS分别为原边线圈(无线供电发射线圈)和副边线圈(无线供电接收线圈)补偿后的阻抗。
补偿参数关系满足：
根据电路原理解出输出电压、电流等参数，对于智能黑板擦机器人，需要保证供电电源稳定即可。输出电压为：
通常线圈内阻很小，在计算输出特性时可以忽略不计。所以上述公式可以简化为：
基于可以看出输出电压与智能黑板擦机器人5b位置关系如图
12，其中左侧两条竖虚线表示的是原边线圈1 22的边界，右侧两条竖虚线表示的是原边线圈2 23的边界，两条横虚线表示系统正常工作所需电压大小的上下限。中间位置输出电压过低，不能满足智能黑板擦机器人的供电要求。当改变两组相邻线圈之间的位置，输出电压变化曲线如图13。
可以看出不同线圈间距对应不同的输出电压情况，通过调节间距可以满足输出电压要求，例如图13中间距2即可满足要求。因此可以优化线圈间距设计，无需闭环调节即可保证智能黑板擦机器人5b的稳定供电，安全可靠。因此，用于智能黑板系统供电的移动式无线电能传输技术参数优化设计方法为：1)首先根据电机额定电压设计接收线圈位于一个发射线圈正对位置时的线圈参数，保证无线供电输出电压等于电机额定电压；2)测量线圈参数，包括不同间距下线圈互感等参数；3)根据线圈输出电压公式(5)得到不同间距下的无线供电输出电压，与黑板擦电机可接收的最大和最小工作电压，选择优化结果。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种智能黑板系统，其特征在于：包括黑板(5a)和带有无线充电系统的智能黑板擦机器人(5b)；
所述智能黑板擦机器人(5b)包括：
外壳(7)，
黑板擦(11)、轴流风机(13)和三个车轮，所述三个车轮为两个主动轮(12a、12b)和一个万向轮(8)，轴流风机(13)的进风面、和每个所述车轮位于外壳(7)底部，黑板擦(11)的擦面位置为可调节式，使所述擦面和所述车轮的底部可被下放并擦出或收回于外壳(7)内，
引风通道(21)，所述引风通道(21)的进风口设于轴流风机(13)运行时的出风方向上，引风通道(21)的出风口设于外壳(7)外并与粉尘收集装置(18)相连，使智能黑板擦机器人(5b)内侧压力小于外侧压力，形成负压吸附于黑板(5a)上并收集粉尘，
两个行走电机(20a、20b)，分别与主动轮(12a、12b)连接，用于驱动车轮转动，
一对相互垂直的测距传感器(6a、6b)，设于外壳(7)侧壁上，
压力传感器(6c)，设于外壳(7)底面上，
供电装置，与所述轴流风机(13)、所述行走电机(20a、20b)、每个所述测距传感器(6a、6b)分别电连接，用于提供电能；
电能变换器(15b)，设于外壳(7)内，
单片机(15c)，设于外壳(7)内，与所述行走电机(20a、20b)、所述轴流风机(13)、每个所述测距传感器(6a、6b)、所述压力传感器(6c)和所述电能变换器(15b)分别连接，同时与外部控制设备连接，以控制所述智能黑板擦机器人(5b)的停、走、擦和/或写动作；
在所述黑板(5a)可书写区域外边缘设一对相互垂直的挡板(4a、4b)，所述挡板(4a、4b)与其所在外边缘的长度相同或相近，所述相互垂直的挡板(4a、4b)与所述一对相互垂直的测距传感器(6a、6b)相匹配，用于对智能黑板擦机器人(5b)定位；
所述供电装置包括无线供电接收线圈(9)，设于外壳(7)内的底部，与所述电能变换器(15b)连接，
在所述黑板(5a)可书写区域的背面设若干相互并联的无线供电发射线圈(3)，每个无线供电发射线圈(3)分别与一个供电开关(2)电连接；
所述无线供电接收线圈(9)与每个无线供电发射线圈(3)之间通过电磁耦合方式传送能量；
所述智能黑板擦机器人(5b)还包括书写笔(10)、第一升降舵机(16a)和可竖直上下移动的第一螺杆(14a)，书写笔(10)的末端固定于第一螺杆(14a)末端，第一螺杆(14a)的另一端与第一升降舵机(16a)连接，第一升降舵机(16a)通过电能变换器(15b)与所述无线供电接收线圈(9)电连接，并受单片机(15c)控制，用于使书写笔(10)下放并书写或收回至外壳(7)内。
2.如权利要求1所述的智能黑板系统，其特征在于：所述智能黑板擦机器人(5b)的外壳(7)内设有第二升降舵机(16b)和可竖直上下移动的第二螺杆(14b)，黑板擦(11)的背面固定于第二螺杆(14b)末端，第二螺杆(14b)的另一端与第二升降舵机(16b)连接，第二升降舵机(16b)通过电能变换器(15b)与所述无线供电接收线圈(9)电连接，并受单片机(15c)控制，用于使黑板擦(11)下放并擦除或收回至外壳(7)内；
所述智能黑板擦机器人(5b)还包括可拆卸式的粉尘收集装置(18)，设于外壳(7)外，并与引风通道(21)相通；
所述引风通道(21)为竖直管道；
两个电池(17a、17b)，设于外壳(7)内壁上，作为无线电能传输系统不能正常工作时候的紧急电源；
所述测距传感器(6a、6b)为超声波测距传感器；
所述压力传感器(6c)用于检测所述智能黑板擦机器人(5b)与黑板(5a)之间的压力，并将所述压力数据传送给所述单片机(15c)，以调节轴流风机(13)的转速，使所述压力的大小适合；
所述三个车轮呈等腰三角形排布于外壳(7)底部边缘，所述等腰三角形的顶点为万向轮(8)，等腰三角形的两个底点分别为主动轮(12a、12b)，万向轮(8)为从动轮，主动轮(12a、12b)通过行走电机(20a、20b)驱动。
3.如权利要求2所述的智能黑板系统，其特征在于：所述万向轮(8)为转向轮，
所述行走电机(20a、20b)为直流减速电机，使主动轮(12a、12b)通过差速方式实现转弯；
所述智能黑板擦机器人(5b)中包括测距传感器(6a、6b)，单片机通过测距传感器(6a、6b)测量智能黑板擦机器人(5b)与挡板(4a、4b)之间距离，以判断当前所处位置。
4.如权利要求1所述的智能黑板系统，其特征在于：所述智能黑板擦机器人(5b)中包括电机驱动模块(15a)、测距传感器(6a、6b)、蓝牙模块(15d)，
所述电机驱动模块(15a)分别与单片机(15c)和行走电机(20a、20b)连接，用于将单片机(15c)的控制指令发送给行走电机(20a、20b)，
所述行走电机(20a、20b)通过其上的电机编码器输出的脉冲获取电机的转速反馈给单片机(15c)，
所述测距传感器(6a、6b)用于获取智能黑板擦机器人(5b)的位置信息，该测距传感器与单片机(15c)连接，用于将智能黑板擦机器人(5b)的位置信息传送给单片机(15c)，
所述蓝牙模块(15d)将单片机(15c)和外部控制设备连接，用于将外部控制设备的指令发送给单片机(15c)。
5.如权利要求1所述的智能黑板系统，其特征在于：所述智能黑板系统采用基于PID算法的闭环控制系统，受控对象为行走电机(20a、20b)。
6.如权利要求1所述的智能黑板系统，其特征在于：为保证智能黑板擦机器人(5b)时刻保持设定的运动轨迹，单片机(15c)实时通过测距传感器(6a、6b)测量与挡板(4a、4b)的距离，实现自身的定位，并与设定位置比较，通过两个主动轮(12a、12b)的差速实现转弯，从而调整位置。
7.如权利要求1所述的智能黑板系统，其特征在于：所述智能黑板系统中还包括平台(4c)，所述平台(4c)设于黑板(5a)书写区域下方，并垂直于黑板(5a)，用于停靠所述智能黑板擦机器人(5b)；
所述智能黑板系统中还包括三个指示灯(19)，分别用于指示所述轴流风机(13)、所述行走电机(20a、20b)、所述测距传感器(6a、6b)是否与所述供电装置接通。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109347212B (zh) * 2018-10-12 2022-03-04 西南交通大学 基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法
CN110481207A (zh) * 2019-08-16 2019-11-22 吴扬辉 一种智能擦拭黑板系统及其擦拭方法
CN110370847A (zh) * 2019-08-20 2019-10-25 李骏宜 一种自动擦黑板机器人及导航定位方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2678142B2 (ja) * 1994-10-14 1997-11-17 日学株式会社 黒板類の消去方法、および、黒板類の消去装置
CN103223805A (zh) * 2013-04-22 2013-07-31 蔡宇豪 一种吸尘式黑板擦
CN204322856U (zh) * 2014-09-23 2015-05-13 徐延成 自动黑板擦
CN204659304U (zh) * 2015-03-25 2015-09-23 西南科技大学 智能黑板刷机器人
CN105730103A (zh) * 2016-01-26 2016-07-06 李国基 一种擦黑板机器人
CN105799397A (zh) * 2016-05-23 2016-07-27 秦凌龙 吸尘式擦黑板机器人
CN106626915A (zh) * 2016-12-01 2017-05-10 史成荫 滚刷式智能机器人黑板擦

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2678142B2 (ja) * 1994-10-14 1997-11-17 日学株式会社 黒板類の消去方法、および、黒板類の消去装置
CN103223805A (zh) * 2013-04-22 2013-07-31 蔡宇豪 一种吸尘式黑板擦
CN204322856U (zh) * 2014-09-23 2015-05-13 徐延成 自动黑板擦
CN204659304U (zh) * 2015-03-25 2015-09-23 西南科技大学 智能黑板刷机器人
CN105730103A (zh) * 2016-01-26 2016-07-06 李国基 一种擦黑板机器人
CN105799397A (zh) * 2016-05-23 2016-07-27 秦凌龙 吸尘式擦黑板机器人
CN106626915A (zh) * 2016-12-01 2017-05-10 史成荫 滚刷式智能机器人黑板擦

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