牛舍清潔機器人結構設計與避障設計

堯李慧，蔡曉華，田 雷，侯云濤

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

牛舍清潔機器人結構設計與避障設計

堯李慧1，蔡曉華2，田 雷1，侯云濤2

(1.黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

對牛舍清潔機器人的結構與避障設計進行分析與研究，并針對清潔機器人在完成清潔任務的過程中遭遇障礙物及運行路徑的全覆蓋問題，對清潔機器人的運動機構與外形結構進行分析。同時，對清潔機器人重要設備如電機、電池及控制器等進行選型，通過對各障礙物進行分類識別，并結合迂回式路徑規劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略，實現清潔機器人對牛舍的全方位清掃工作。實踐證明：在基于障礙物分類識別的迂回式避障策略設計與靠墻或牛欄障礙物避障策略設計，在清潔機器人發展歷程中起著關鍵性的作用。

牛舍；清潔機器人；避障策略；障礙物分類識別

0 引言

當前，機器人已經成為人類生活的重要組成部分，在人類的生活、學習與工作中體現得淋漓盡致，極大地提高了其效率。針對機器人的使用方式與使用功能，可以把機器人分為家用、醫用與軍用等類型。其中，自主智能化服務機器人為機器人技術發展的首要趨勢，它是將理論與實踐相結合的一門技術，是當今人類所分析與研究的熱門。國家在發展，科技在不斷地創新，服務類機器人領域的突破也在與時俱進，不斷成為人類生活中必不可少的一部分，以清潔機器人最為明顯[1]。

本文將重點研究牛舍清潔機器人。牛舍清潔工作是一項循環往復的枯燥勞動，工作量大，且做不到24h不間歇地清掃，容易導致牛舍環境氣味污染等。牛舍清潔機器人與其他服務類機器人在功能與使用場合上均不相同：服務機器人均是用在固定的區域場合中，環境地圖非常清晰明確，而牛舍清潔機器人的環境區域與區域中障礙物種類均是不確定的。因此，需要通過對清潔機器人結構與自主智能控制算法的設計，使得清潔機器人有更合適的行駛路徑，并基于相關避障策略實現全方位清掃，從而更加高效、自主地完成牛舍清掃工作任務。

1 清潔機器人運動機構設計

在牛舍清潔機器人機械結構設計完成的基礎上，需要考慮清潔機器人運動機構的結構和性能。目前，市場上常見的移動機器人分為履帶式、步行式與輪式3種：履帶式移動機器人常用在室外，其越過障礙物的能力較強；步行式移動機器人結構設計與驅動機構控制難度大，常用在比較復雜的場合；輪式移動機器人結構設計與驅動控制難度較小，常用在地面相對不復雜的場所，且輪式機器人分為兩輪、三輪、四輪與六輪的移動機器人[2]。

本設計中的牛舍清潔機器人為兩輪式清潔機器人，主要針對室內牛舍地面清糞工作，如圖1所示。

圖1 清潔機器人結構圖

圖1中，左右輪為驅動輪，通過差動的驅動方式驅動清潔機器人的兩個直流無刷電動機，電機通過左右鏈條分別帶動左右兩大輪的轉動，從而實現清潔機器人的移動。實際的牛舍地面環境中也有比較復雜的區域，清潔機器人的工作目的就是將所有(包括角落)的地方打掃干凈。

2 清潔機器人機身的尺寸

本設計清潔機器人高為575mm，刮糞板直徑為860mm，機器長度為1 362mm，機器寬度為860mm，傳感環距離地面的高度為102mm，兩驅動輪放置在底盤的軸線上。由于機器人高度為 110mm，牛舍中清潔機器人相對低矮的環境都能繼續行駛，在驅動輪的結構尺寸設計時高度不能超過清潔機器人的高度。圖2所示為清潔機器人外形尺寸圖。

A.刮糞板直徑860mm B.機器長度1 362mm C.傳感環高度102mm D.機器高度575mm E.機器寬度860mm圖2 清潔機器人尺寸

3 電機和電池選型

3.1 電機選型

對于清潔機器人的驅動控制，最關鍵的是選擇合適的電動機，確定驅動電動機所需要的最小驅動功率，從而進行電機的選型。清潔機器人的電機功率太小，清潔機器人驅動不起來；清潔機器人的電機功率太大，則電動機的質量與體積也會跟著變大，不利于清潔機器人的便捷性清潔運動。本次設計的清潔機器人載有水箱，本身所承載的剩余質量已經不多，因此會導致設計無效的后果。所以，選擇功率合適的電動機對清潔機器人驅動機構設計至關重要。

電動機分為直流電機和步進電機兩種類型，驅動方式的不同則是直流電機與步進電機的主要區別所在。直流電動機移動方式是連續的，并以模擬控制的方式進行相應的驅動；步進電動機的移動方式是分段進行的，或者說是以步階的方式進行，采用直接控制方式，步階位置是電機控制的變量。針對直流電機而言，電壓是直流電機的控制變量，速度和位置是直流電動機的命令變量，直流電動機對其控制系統會有一個信息反饋，從而控制電機位置。雖然直流電動機結構上非常復雜，但是它調節非常方便，使用的范圍廣泛，性能良好。電機還可分為有刷電機和無刷電機，其中直流有刷電動機的轉動速度很高，損耗很大，壽命短，工作1 000h后需要更換電機的電刷，且安裝減速的齒輪難度很大，存在壽命短、故障的發生率高等問題，缺點較直流無刷電動機多很多。因此，本設計采用了一款直流無刷電動機作為機器人行走的驅動電機。

該款電機的型號為SMP6224，實物圖如圖3所示。對比前面機械部分提到的對應功能參數，該款電機完全可以對機器人進行驅動。

圖3 直流無刷電動機實物圖

3.2 電池選型

在清潔機器人硬件設計中，重中之重是電池的選擇。針對牛舍清潔機器人而言，機身安裝有左右兩個驅動電機，為了軟化糞便，需要進行噴水清掃工作。由于機身中間安裝有水箱，兩者需要同時進行工作，所以在選擇電池的時需綜合考慮電的容量及機器人的體積等因素。本設計采用了奧鐵馬卷積電池中的黃頂31，額定容量75AH。

筆者所選擇的電池均符合以下條件：首先，自放電率很低，電量保存時間長，最大可保存電量能夠實現兩年都不用充電；其次，該電池沒電時充電的速度極快，40min電池的電量可以達到90%～95%，且放電效率顯著，一般可以達到18C左右；再者，對于牛舍的清潔機器人，室內溫度高，考慮到電池的適用溫度范圍，選用的電池適用溫度在-55～75℃之間，完全符合其溫度范圍；最后，對于電池的使用壽命來說，筆者選用的電池壽命很長，是一般普通電池的3倍左右。電池實物如圖4所示。

圖4 電池實物圖

3.3 控制器的選型

選用的控制器為STM32F103VET6控制器。在內核方面，工作頻率最大為72MHz，CPU為ARM32位；在存儲器方面，屬于片上集成的Flash存儲器，存儲容量為32～512kB，SRAM存儲器存儲容量為6～64kB。針對該控制器的復位電路、時鐘信號的電源方面，其供電電源是2～3.6V，內部RC振蕩電路為40kHZ，主要用在CPU時鐘的PLL上，POR、PDR與PVD的晶振為4～16MHz。針對其低功耗特點，將其分為待機、休眠與停止3個部分。在調用模式上，主要是對SWD與JTAG接口進行串行調試，并對ADC、DAC、SPI、IIC和UART等定時器外設進行相應支持。它有兩個12位的AD轉換器，該轉換器有16個通道，且測量的范圍是0～3.6V；該控制器的片上裝有一個溫度傳感器和12位的D/A轉換器，且有兩個通道，112個I/O端口。不同控制器擁有的I/O端口數量不一樣，分為26、37、51、80、112個I/O口的控制器，所有的端口都可以映射外部中斷向量，且有16個。根據控制器類型的不同，選用的控制器有13個通信接口：5個USART接口； 2個IIC接口，分別為SMBUS與PMBUS； 3個SPI接口，均為18mbit/s；1個CAN接口；1個USB全速接口；1個SDIO接口；封裝形式為ECOPACK[3]。

如上所述，STM32F103VET6擁有豐富的外設配置，功能非常強大，能夠滿足本設計的要求。其主控PCB板如圖5所示。

圖5 PCB板

4 驅動模塊設計—行走機構的驅動電路

行走機構的電機采用的是直流無刷電動機，環境適應性高。DSP2812 芯片可以直接輸出控制信號，但 DSP 自身輸出的 PWM 波的功率較小，必須通過驅動電路才能驅動行走電機。本系統采用 L298P 芯片進行功率放大，以驅動行走電機。L298P 驅動電路如圖6所示。

圖6 L298P 驅動電路示意圖

5 清潔機器人避障系統對障礙物分類識別

為了使清潔機器人更好地避開障礙物，從而安全行駛，可以根據清潔機器人的避障系統來識別障礙物類型，采用相應的避障策略避開障礙物。同時，對整個牛舍進行全局的路徑規劃，使得清潔機器人能夠全方位地進行牛舍清掃工作。清潔機器人實現全區域覆蓋的避障系統如圖7所示。

圖7 清潔機器人全區域覆蓋的避障系統

由圖7可知：牛舍清潔機器人避障系統能夠進行障礙物的分類識別，驅動控制機構可進行相應驅動控制，采取迂回式等避障策略使得清潔機器人能夠更安全地進行牛舍全區域的清掃工作。因此，為了更準確地對各類障礙物進行分類識別，需要在牛舍清潔機器人機身內部安裝多個傳感器，對清潔機器人所需要的相關信息進行相應融合與處理，再進行反饋，從而得知障礙物類別；最后，進行相應避障策略的實施。

在牛舍清潔機器人對遇到的障礙物信息進行處理過程中，運用產生式規則的方法，可以實時地對所遇到的障礙物進行精準識別。產生式規則法通過用相應符號來表示目標特點或特征。簡單來說，在邏輯推理的過程中，兩個或者多個規則變成一個規則時，這個過程就叫作融合的過程。該融合信息的方式簡單，適合清潔機器人的傳感器融合技術。

牛舍清潔機器人在牛舍清掃工作過程中，需要對其所遇到的障礙物進行安全躲避，所需要的障礙物信息應該分布在清潔機器人機身左邊、中間與右邊方向上的紅外線傳感器，以及清潔機器人正前方碰撞塊的信號，從而得出障礙物與清潔機器人的相對位置及障礙物是否已經被牛舍清潔機器人所碰撞到，最終根據這些信息控制清潔機器人的下一步運動方向。構建的清潔機器人障礙物產生式規則庫如表1所示。清潔機器人內部的紅外線傳感器與碰撞開關所收集到的信息是前提條件，對其信息融合后判斷出的障礙物類別并采取相應的避障策略是其結論，最終得出障礙物產生式規則庫，清潔機器人則可以根據規則庫采取避障策略進行安全避障行駛。

表1中：H左表示清潔機器人左邊的紅外傳感器，H中表示機身中間的紅外傳感器，H右表示機身右邊的紅外傳感器；P左表示機身前左方向的碰撞塊，P右表示機身前右方向的碰撞塊；“1”表示紅外線傳感器產生反饋信號，“0”表示紅外線傳感器并沒有反饋信號；“√”表示碰撞塊傳感器產生反饋信號，“×”表示碰撞塊傳感器沒有反饋信號。

表1中，若牛舍清潔機器人第1次檢測到障礙物時，清潔機器人內部傳感器的狀態為左邊、中間、右邊3個紅外線信號都有信號反饋，機身前方兩個碰撞傳感器均無信號；當清潔機器人檢測到該障礙物另一邊時，傳感器的狀態是左邊與中間紅外線傳感器有信號，而右側紅外線傳感器無信號，機身前方碰撞傳感器依舊無信號，可以參照表1的規則庫得知該檢測到的障礙物在清潔機器人前方左側靠墻，并按照路徑規劃中的相應避障策略進行避障安全行駛[4]。

通過使用產生式規則的方法，在清潔機器人機身上安裝多個傳感器對所有障礙物信息進行相應處理，實時、準確地判斷障礙物的類別。產生式規則法是通過用相應符號來表示目標特點或特征，如果在相同的邏輯推理過程中兩個或者多個規則形成一個規則時，說明其產生了融合，該融合信息的方式簡單，適合清潔機器人的傳感器融合技術。

表1 產生式規則庫

6 迂回式避障策略

迂回式避障是清潔機器人全區域覆蓋避障的基礎。由于在實際牛舍清掃過程中沒有任何障礙物，所以迂回式避障策略就是控制牛舍清潔機器人在牛舍內做直線往返運動，只是避免碰撞到墻壁或者牛欄等障礙物邊界即可。清潔機器人的直線運動包括兩種：一種是直線前行，清潔機器人的運動軌跡寬度即為清潔機器人的機身直徑；另一種是遇到障礙物即墻或者牛欄的繞轉運動，當遇到墻或者牛欄等障礙物邊界時繞轉運動軌跡，即為清潔機器人機身直徑的半圓弧。牛舍清潔機器人進行迂回式避障的過程如圖8 所示。假設避障前運動方向由右向左，進行直線運動，當清潔機器人前方的墻或者牛欄等障礙物邊界距離清潔機器人只有500mm時，機身內部的紅外線傳感器即能檢測到障礙物，驅動控制系統就會控制清潔機器人進行180°繞轉動作；然后，清潔機器人繼續進行直線運動，此刻的運動方向與之前的運動方向正相反。清潔機器人迂回式避障實際效果圖如圖9所示。

圖8 迂回式避障

圖9 清潔機器人迂回式避障實際效果圖

清潔機器人在實際牛舍運行中，針對迂回式避障策略，需要做到清潔機器人在遇到墻或者牛欄障礙物邊界時繞轉后的行駛方向應與避障之前的方向完全相反，且避障前后的行駛路徑應處于平行直線狀態。假設牛舍清潔機器人在進行繞轉行駛時的位置o′坐標是(x0,y0,θ0)，行駛n個采樣周期以后，牛舍清潔機器人的位置o′ 坐標變為(xn,yn,θn)，最后當(1)、(2)兩式成立時表示繞轉行駛結束，繼續直線行駛，以此進行往復運動，則

θ0-θn=180°

(1)

(2)

7 靠墻或者牛欄障礙物的避障策略

假設牛舍清潔機器人第1次檢測到靠墻或者牛欄障礙物邊界時清潔機器人機身位置o′為(x1,y1,0°)，一旦遇到障礙物，則會先采用迂回式避障策略；當牛舍清潔機器人到達障礙物另一個邊界時，能夠根據障礙物類型識別規則得出其障礙物是否為靠墻障礙物，迂回式避障策略被取消，沿墻或牛欄的障礙物避障策略被采用，并沿著障礙物另一邊行駛到清潔機器人位置o′的x值為x1時停止沿邊行走；沿墻或牛欄行駛結束后，此時清潔機器人需要進行原地旋轉直至θ值為0°，然后繼續以直線行駛。假設牛舍清潔機器人第1次檢測到靠墻或者牛欄障礙物邊界時清潔機器人機身位置o′為(x1,y1,180°)，沿墻或牛欄行駛結束后θ值為 180°，進而繼續直線前行[5]。清潔機器人靠墻或牛欄障礙避障軌跡如圖10所示。

圖10 靠墻障礙避讓軌跡

8 結論

首先對清潔機器人運動機構與外形進行設計，并對清潔機器人的相關設備(如電機、電源等)進行選型，清潔機器人通過對各障礙物進行分類識別，提出了基于迂回式路徑規劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略。按照設計的算法，清潔機器人可以實現全區域覆蓋的要求，包括牛舍各個角落的全方位清掃工作。實驗證明，該避障策略對清潔機器人更好地避障有著很重要的作用。

[1] 張建龍,劉曉玉,李立華.基于模糊控制的清潔機器人避障系統[J].機床與液壓,2014(18):92-95.

[2] 朱常琳,馬浩全,郭光輝.一種移動機器人的路徑規劃與路徑跟蹤控制[J].蘭州鐵道學院學報, 2003(1):118-122.

[3] 顧霄.基于ARM的地理電纜故障檢測方法與分析[D].石家莊：河北科技大學,2013.

[4] 袁曾任,高明.在動態環境中移動機器人導航和避碰的一種新方法[J].機器人,2000,22(2):81-88.

[5] 周學益.清潔機器人全區域覆蓋路徑算法與避障控制研究[D].重慶:重慶大學,2007.

ID:1003-188X(2018)02-0070-EA

Design and Research of Automatic Barn Cleaner Path Planning

Yao Lihui1, Cai Xiaohua2, Tian Lei1, Hou Yuntao2

(1.Heilongjiang Bayi Agriculture university, Daqing 163319, China; 2.Scientific Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081, China)

Abstract： This article is mainly to the barn to the structure of the cleaning robot and obstacle avoidance design, analysis and research for cleaning robot in the process of cleaning task encountered obstacles, as well as the path for the whole problem, to clean the robot’s motion mechanism and shape structure is analyzed. And the cleaning robot is the important equipment such as selection of motor, battery, the controller and so on. Through the study of the classification of obstacle. And combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles, and combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles such as obstacle avoidance strategy. Achieve the full range of cleaning robot for the barn cleaning work. Experiments prove that the indirect type obstacle avoidance strategy based on obstacle classification design and relies on a wall or obstacle avoidance strategy design, kraal obstacle in cleaning robot plays a key role in the development process.

oxtall; cleaner; obstacle avoidance strategy; obstacle classification

2016-11-30

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B10)；黑龍江八一農墾大學研究生創新項目(2011150011)

堯李慧( 1993-)，女，安徽滁州人，碩士研究生，( E-mail)1834386316@qq.com。

蔡曉華( 1968-)，男，哈爾濱人，研究員級高級工程師，( E-mail)12369757@qq.com。

S817.3

A

1003-188X(2018)02-0070-05