基于太陽能的蚊蟲誘捕機器人的設計與理論建模

摘 要：隨著人類文明的進步，節(jié)能與環(huán)保理念深入人心，各種電氣設備對太陽能的利用也越來越廣泛。文章首先設計了一種基于太陽能的蚊蟲誘捕機器人，并詳細的介紹了其結(jié)構(gòu)設計特點。與傳統(tǒng)的各種蚊蟲誘捕器相比，該裝置具有高效、環(huán)保和智能等的優(yōu)點。進一步地，結(jié)合該機器人的各種使用工況，對直流風機的誘捕過程進行了理論建模，給出了其對應的轉(zhuǎn)速與風力的關系，有助于該裝置在不同的工況下合理的選擇對應的直流電機工作狀態(tài)，在實現(xiàn)蚊蟲捕獲過程的基礎上，保證了節(jié)能性要求。

關鍵詞：太陽能技術(shù)；蚊蟲誘捕器；智能機器人；直流風機理論建模

1 概述

對太陽能技術(shù)的探索已經(jīng)成為當今世界各國利用新能源的重要研究課題。太陽能不同于傳統(tǒng)的化石能源，不會造成環(huán)境污染和溫室效應，而且每年到達地球表面的太陽能相當于130萬億噸標準煤[1]。隨著科技的發(fā)展，對太陽能的利用也越來越深入，從供暖、制冷空調(diào)、海水淡化到工業(yè)加熱與熱發(fā)電等。目前，各種小型電器，諸如計算器和電子手表等也陸續(xù)開始采用太陽能供電技術(shù)。我國的太陽能電池產(chǎn)能在近些年大幅提升，從2007年開始，中國在太陽能電池產(chǎn)能上已經(jīng)超過歐美和日本，成為全球太陽能電池第一生產(chǎn)大國[2]。

文章主要介紹了一種基于太陽能的蚊蟲誘捕機器人，一方面有效的實現(xiàn)了對太陽能的利用，體現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的設計理念；另一方面該機器人具有重要的家用價值，能有效的捕獲各種蚊蟲，營造舒適的家庭環(huán)境。目前，市場上生產(chǎn)和銷售著各種各樣的蚊蟲（一般指蚊蟲、蒼蠅、飛蛾等各類飛蟲）誘捕器，一般分為電擊型滅蟲燈和光誘捕蟲燈兩種，這兩類產(chǎn)品雖然能產(chǎn)生一定的蚊蟲誘捕效果，但都存在諸多缺點，如電擊型滅蟲燈是將飛蟲引來，當飛蟲靠近燈光時，碰到安裝在光源外圍附近的電網(wǎng)所產(chǎn)生的高壓電流電死，在飛蟲靠近電網(wǎng)時會產(chǎn)生觸電火花、高壓電感磁場及蟲體燒焦的臭味，此方法既不夠衛(wèi)生又容易產(chǎn)生觸電的危險；另一種是光誘捕蟲燈，該燈光譜單一，抗衰減性差，引誘效果不好，能有效引誘的蚊蟲種類有限，并且粘蟲膠帶裸露放置在光源外，容易受到灰塵、空氣的作用而降低粘著能力，不能有效地粘住飛蟲，現(xiàn)有的一些誘捕機器人不能有效的捕捉蚊蟲，另外機器人內(nèi)部清理比較困難，而本工作所設計的蚊蟲誘捕機器人則能有效的解決上述問題。

2 蚊蟲誘捕機器人的設計特征

本小節(jié)主要系統(tǒng)地介紹了所設計的蚊蟲誘捕機器人，其結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。其主要原理為置于底端1位置的直流風機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生強勁的吸引力，使得蚊蟲進入3位置的蚊蟲收集盒，而機器人頂端2位置設有太陽能電池板和整流罩，太陽能電池板能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲在圖中4位置的蓄電池內(nèi)，此外5位置還配備有能有效探測蚊蟲位置的紅外探頭，控制機器人趨向蚊蟲的運動。

這種基于太陽能的蚊蟲誘捕機器人中的整流罩內(nèi)強大的風力可以阻擋和改變蚊蟲飛行路徑，同時還能在底端直流風機下配置捕捉燈用以吸引蚊蟲進入蚊蟲收集盒內(nèi)，防止蚊蟲逃跑。底端的直流分機還能有效風干蚊蟲，防止蚊蟲死后出現(xiàn)異味。設有的紅外探頭可感應蚊蟲存在通過萬向輪自動移動，以吸收蚊蟲；以太陽能為能源，清潔、環(huán)保、無污染，打開電源開關后可完全自動化工作無需人們看管，同時設置蓄電池充電接口，在太陽能不足時可以利用外部電力充電，設置紫外殺菌功能，對室內(nèi)角落進行殺菌，結(jié)構(gòu)簡單，誘捕和殺菌效果好。

進一步的，考慮到太陽能的蚊蟲誘捕機器人在不同工作狀態(tài)下使用時，所面臨的捕捉對象有差異，而直流電機的轉(zhuǎn)速則直接決定了所產(chǎn)生的風力大小，因此，綜合考量節(jié)能與完成捕捉任務的情況下，需要合理的選擇對應工作環(huán)境中的直流電機轉(zhuǎn)速，通過在蚊蟲誘捕機器人的直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)處形象的描繪對應轉(zhuǎn)速所能捕獲的蚊蟲類型，有助于在完成捕獲任務的情況下實現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保。

3 直流風機誘捕過程的理論建模

本小節(jié)旨在通過對直流風機的理論建模，建立直流風機的轉(zhuǎn)速與所具有的吸引力之間的關系，為蚊蟲誘捕機器人在不同工況下選擇合理的轉(zhuǎn)速提供理論基礎。直流風機轉(zhuǎn)動過程中會將迎面而來的氣流分布在葉片的上下表面，其產(chǎn)生風力的機理與直升機旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的升力類似。因此，在本模型中的直流電機風力可選用如下公式近似計算：

在一般葉片旋轉(zhuǎn)過程中，對應的典型風力系數(shù)值約為1.0-2.0。綜合考慮，在接下來的計算中，選取Cl=1.5，旋轉(zhuǎn)軸到葉片最遠端的距離為R=0.2m，空氣密度？籽=1.29kg/m3，家用普通直流電機轉(zhuǎn)速一般范圍為n=600～1200r/min。因此，結(jié)合式（1）可得不同轉(zhuǎn)速下，對應于圖2中（a）和（b）兩種葉片比例，可得風力隨直流電機轉(zhuǎn)速曲線如圖3所示，隨著直流風機的轉(zhuǎn)速增大，其產(chǎn)生的風力也逐漸增大，因此，只需要對應的統(tǒng)計出不同類別蚊蟲抗風能力就能選擇合理的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)束語

文章設計了一種基于太陽能的蚊蟲誘捕機器人，詳細的介紹其結(jié)構(gòu)設計特點，其主要部件為太陽能電池板、直流風機、蓄電池和紅外探頭。與傳統(tǒng)的各種蚊蟲誘捕器相比，該裝置具有高效、環(huán)保和智能等特點。進一步地，結(jié)合該機器人的各種使用工況，對直流風機的誘捕過程進行了理論建模，給出了其對應的轉(zhuǎn)速與風力的關系，有助于該裝置在不同的工況下合理的選擇對應的直流電機工作狀態(tài)，在實現(xiàn)蚊蟲捕獲過程的基礎上，保證了節(jié)能性要求。

參考文獻

[1]吳紅山.太陽能的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].科技信息，2008，3（7）：72-74.

[2]楊金煥，等.太陽能光伏發(fā)電應用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版，2009：1-3.