一種油煙凈化器集煙罩清理系統設計與實現

徐 哲 王朋飛 李 波 張非凡

(皖西學院電氣與光電工程學院，安徽 六安 237012)

1 總體外觀設計方案

1.1 系統外觀設計

外殼為置于系統內部的眾多元器件提供受力點以便安裝，同時支撐起整個系統的主體結構；較封閉的殼體結構使得本系統可以抵御大部分的油煙、水蒸氣，為系統內部主要電子元器件提供一個較為理想的工作環境；矩形鋼框架加不銹鋼蒙皮的組合則可以抵御在平時日常使用過程中可能發生的對系統的沖撞、擠壓等各種中低烈度磕碰情況，使得系統整體壽命得到進一步延長；簡潔、新穎的系統外觀又可以達到一定的視覺沖擊效果，同時也方便對系統外殼的清洗，圖1便是設計的系統外殼外觀的三視圖。

圖1 系統外殼三視圖

1.2 總體機械設計方案

系統對油煙凈化器集煙罩相對于地面參考系地面設計。將油煙凈化器集煙罩與地面相水平的一面的較長邊設為X軸，將油煙凈化器集煙罩與地面呈一定角度的一(兩)面的另外線設為Y(以下統稱為)，并借此建立一個X/Y軸坐標。機器便可以在軸上進行運動，方便觀察與描述。

X軸的移動利用了如圖3所示的鑲嵌式卡扣輪行進方式：系統行進模塊為“上四、下兩”共計6個輪子所組成的輪組，其中上面4個輪子中的2個分別由一個減速電機驅動。上下輪組的間距較大，使其能夠在幾種不同規格的集煙罩中行進，提高了適用范圍。

圖2 系統安裝示意圖

圖3 鑲嵌式卡扣輪式

Y軸傳動裝置原理—即利用同步帶輪帶動系統的噴頭/刷口模塊(以下統稱為噴刷模塊)在Y軸方向上的往復移動。

為了實現噴刷模塊在Y軸上的往復運動，運用了雙排滑軌可升降噴刷模塊(以下簡稱Z軸)設計：系統在貼著集煙罩內側行進的同時，噴刷模塊沿著滑軌做往復運動，根據顏色識別傳感器的反饋，對于油污顏色深(即油污積累較厚)的地方，升降結構會啟動，使刷頭緊貼在集煙罩內側外表面，確保能夠將油污刷洗干凈(這里模擬了人在擦拭頑固污漬時手會加大力度下壓清潔工具的情況)。

圖4 雙排滑軌可升降噴刷模塊

根據長時間以及按照經驗所得的數據來看，只有當所行進的路線出現類似函數的圖像的時候才可以把所要求清洗的不銹鋼油污集煙罩內壁盡可能地清潔干凈，而通過對函數圖像的分析，可以得知每次清洗都會有大約10%的區域清洗不干凈。通過對傳統的圓盤刷頭進行一定的改造：在圓盤刷頭上沿圓邊伸出一段正反面都有刷毛的刷頭，便可以在清洗油污集煙罩內壁的同時清潔顏色識別傳感器透明蓋上面的因為清洗作業而不斷積累的油污，這樣可以保證顏色識別傳感器的正常工作。根據此函數圖像，可以計算出同一時間段，系統沿y軸所行進的路線是沿x軸的3/5，即系統在y軸上的行進速率與在x軸上行進速率之比為5∶3，但實際上在實驗室中所測得的系統沿x軸的行進速度為25 cm/s，所以本系統沿X軸Y軸的實際行進速率之比為25∶15。

為了更好地清洗掉頑固油漬，增設了電動推桿，通過電動推桿的伸縮，可以實現Z軸整體向上抬高和復原，雙排滑軌可升降噴刷模塊的整體在抬高的時候，可以使得刷頭緊貼集煙罩內壁，從而對油污造成一個向下的壓力，使得清洗的效果更好，其作用效果如圖5所示。

圖5 推桿示意圖

2 總體模塊設計方案

系統外觀設計。通過安置在其外殼兩側的超聲波測距傳感器便可以實現系統在集煙罩內壁的往復運動。利用槽型光耦傳感器模塊ITR9606來實現噴刷模塊和顏色識別傳感器沿著Y軸做往復運動，再由顏色識別傳感器TCS230來監測油污的存在，如果檢測到油污，X軸和Y軸上的減速電機便會停止，同時啟動驅動刷頭的電機和水泵，并且利用伸縮桿來減小刷頭與集煙罩內壁的間距，對集煙罩內壁上的油污進行最為有效的清理。

圖6 系統流程圖

TCS2300顏色識別傳感器就相當于本系統的眼睛，當TCS2300顏色識別傳感器識別到油污時，如果顏色識別傳感器監測到油污的存在，將會通過L298N讓兩個減速電機同時停下，然后啟動升縮桿，把Z軸整體向上，對油污造成一個向下的壓力，使得清洗的效果更好。通過噴刷模塊與顏色識別傳感器模塊，可以把對頑固油漬的清洗，形成一個閉環控制系統。該系統會不斷清洗，直到污漬被清洗干凈，而當污漬被清洗干凈以后，升縮桿縮回到原來的位置，系統按照原來的運行軌跡運行，繼續下一區域的清洗。

4 總體測試

經過實地的拍攝取樣，得到以下多張圖片：先將圖片進行灰度處理，將圖片轉換為灰度圖，只有黑白兩種顏色，然后設置maxVal為150，minVal為80若轉換出來的梯度值>maxVal則處理為邊界，即為舍棄。若minVal<梯度值

GX=SX×A

GY=SY×A

圖7 8/19/20/21樣張

圖8 22/23 邊緣檢測樣張

對這些圖片進行基本處理得到以下樣張。

將圖片分割為一個又一個像素點，利用高斯濾波器將圖片歸一化處理。

可以看到對于圖像的邊緣可以監測的非常準確(紅色點落下的地方既標為邊界)。

通過觀察這些圖片得到了以下結論。

油污空白油污不銹鋼集煙罩表面金屬R190-2300-10190-210G160-2000-10180-210B10-500-10190-200

圖9 24圖像處理結果