一种油烟净化器集烟罩清理系统设计与实现

徐 哲 王朋飞 李 波 张非凡

(皖西学院电气与光电工程学院，安徽 六安 237012)

1 总体外观设计方案

1.1 系统外观设计

外壳为置于系统内部的众多元器件提供受力点以便安装，同时支撑起整个系统的主体结构；较封闭的壳体结构使得本系统可以抵御大部分的油烟、水蒸气，为系统内部主要电子元器件提供一个较为理想的工作环境；矩形钢框架加不锈钢蒙皮的组合则可以抵御在平时日常使用过程中可能发生的对系统的冲撞、挤压等各种中低烈度磕碰情况，使得系统整体寿命得到进一步延长；简洁、新颖的系统外观又可以达到一定的视觉冲击效果，同时也方便对系统外壳的清洗，图1便是设计的系统外壳外观的三视图。

图1 系统外壳三视图

1.2 总体机械设计方案

系统对油烟净化器集烟罩相对于地面参考系地面设计。将油烟净化器集烟罩与地面相水平的一面的较长边设为X轴，将油烟净化器集烟罩与地面呈一定角度的一(两)面的另外线设为Y(以下统称为)，并借此建立一个X/Y轴坐标。机器便可以在轴上进行运动，方便观察与描述。

X轴的移动利用了如图3所示的镶嵌式卡扣轮行进方式：系统行进模块为“上四、下两”共计6个轮子所组成的轮组，其中上面4个轮子中的2个分别由一个减速电机驱动。上下轮组的间距较大，使其能够在几种不同规格的集烟罩中行进，提高了适用范围。

图2 系统安装示意图

图3 镶嵌式卡扣轮式

Y轴传动装置原理—即利用同步带轮带动系统的喷头/刷口模块(以下统称为喷刷模块)在Y轴方向上的往复移动。

为了实现喷刷模块在Y轴上的往复运动，运用了双排滑轨可升降喷刷模块(以下简称Z轴)设计：系统在贴着集烟罩内侧行进的同时，喷刷模块沿着滑轨做往复运动，根据颜色识别传感器的反馈，对于油污颜色深(即油污积累较厚)的地方，升降结构会启动，使刷头紧贴在集烟罩内侧外表面，确保能够将油污刷洗干净(这里模拟了人在擦拭顽固污渍时手会加大力度下压清洁工具的情况)。

图4 双排滑轨可升降喷刷模块

根据长时间以及按照经验所得的数据来看，只有当所行进的路线出现类似函数的图像的时候才可以把所要求清洗的不锈钢油污集烟罩内壁尽可能地清洁干净，而通过对函数图像的分析，可以得知每次清洗都会有大约10%的区域清洗不干净。通过对传统的圆盘刷头进行一定的改造：在圆盘刷头上沿圆边伸出一段正反面都有刷毛的刷头，便可以在清洗油污集烟罩内壁的同时清洁颜色识别传感器透明盖上面的因为清洗作业而不断积累的油污，这样可以保证颜色识别传感器的正常工作。根据此函数图像，可以计算出同一时间段，系统沿y轴所行进的路线是沿x轴的3/5，即系统在y轴上的行进速率与在x轴上行进速率之比为5∶3，但实际上在实验室中所测得的系统沿x轴的行进速度为25 cm/s，所以本系统沿X轴Y轴的实际行进速率之比为25∶15。

为了更好地清洗掉顽固油渍，增设了电动推杆，通过电动推杆的伸缩，可以实现Z轴整体向上抬高和复原，双排滑轨可升降喷刷模块的整体在抬高的时候，可以使得刷头紧贴集烟罩内壁，从而对油污造成一个向下的压力，使得清洗的效果更好，其作用效果如图5所示。

图5 推杆示意图

2 总体模块设计方案

系统外观设计。通过安置在其外壳两侧的超声波测距传感器便可以实现系统在集烟罩内壁的往复运动。利用槽型光耦传感器模块ITR9606来实现喷刷模块和颜色识别传感器沿着Y轴做往复运动，再由颜色识别传感器TCS230来监测油污的存在，如果检测到油污，X轴和Y轴上的减速电机便会停止，同时启动驱动刷头的电机和水泵，并且利用伸缩杆来减小刷头与集烟罩内壁的间距，对集烟罩内壁上的油污进行最为有效的清理。

图6 系统流程图

TCS2300颜色识别传感器就相当于本系统的眼睛，当TCS2300颜色识别传感器识别到油污时，如果颜色识别传感器监测到油污的存在，将会通过L298N让两个减速电机同时停下，然后启动升缩杆，把Z轴整体向上，对油污造成一个向下的压力，使得清洗的效果更好。通过喷刷模块与颜色识别传感器模块，可以把对顽固油渍的清洗，形成一个闭环控制系统。该系统会不断清洗，直到污渍被清洗干净，而当污渍被清洗干净以后，升缩杆缩回到原来的位置，系统按照原来的运行轨迹运行，继续下一区域的清洗。

4 总体测试

经过实地的拍摄取样，得到以下多张图片：先将图片进行灰度处理，将图片转换为灰度图，只有黑白两种颜色，然后设置maxVal为150，minVal为80若转换出来的梯度值>maxVal则处理为边界，即为舍弃。若minVal<梯度值

GX=SX×A

GY=SY×A

图7 8/19/20/21样张

图8 22/23 边缘检测样张

对这些图片进行基本处理得到以下样张。

将图片分割为一个又一个像素点，利用高斯滤波器将图片归一化处理。

可以看到对于图像的边缘可以监测的非常准确(红色点落下的地方既标为边界)。

通过观察这些图片得到了以下结论。

油污空白油污不锈钢集烟罩表面金属R190-2300-10190-210G160-2000-10180-210B10-500-10190-200

图9 24图像处理结果