建筑工地動態巡察與揚塵測控機器人研究與應用

馬廣生 ，左夢坡 ，侯緒冉 ，李亭 ，劉偉

（中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100）

1 研究背景

1.1 揚塵監測與抑制

我國建筑施工現場產生揚塵較多，是環境污染的主要源頭之一。傳統監測和抑制揚塵的方法有5種：①在建筑工地的某處設置揚塵監測傳感器，并在整個工地設置噴淋管網，當發現揚塵超出規定限值，再開啟工地揚塵噴淋系統，從而抑制揚塵；②現場管理人員手持揚塵監測儀不定時不定點抽查，當發現揚塵超出規定限值時，再開啟工地揚塵噴淋系統，從而抑制揚塵；③在建筑工地的某處設置揚塵監測傳感器，在建筑物外架體上安裝噴淋系統，當揚塵超標后，再啟動噴淋設備進行抑制；④在建筑工地的某處設置揚塵監測傳感器，將噴淋系統安裝在塔吊上，當揚塵監測超標后，啟動噴淋設備抑制揚塵；⑤人工駕駛車輛，車輛上裝載霧炮，沿規定場所工作。

上述所有方法均存在不能做到實時動態監測揚塵，只能監測局部揚塵，當另一區域產生揚塵時并不能檢測到位，再者，由于建筑施工現場是動態布局，場地、建筑、塔吊會隨著工程進度每日變化，設置的噴淋系統不易變化，故抑制揚塵效果均達不到要求。第五種人工駕駛車輛，成本過高，我司每年需支付人工工資和其它費用一年達800萬元，一般工程按照2年工期就達1600萬元。

1.2 施工現場動態巡察

傳統的方法是，項目管理人員到現場巡查，若發現現場有不符合慣例規定的現象，進行處置。此存在的弊端：一是要求現場配備足夠的管理人員；二是當項目領導班子成員外出則無法得知現場動態；三是受人的業務能力和主觀因素的影響，管理效果難以確定。

綜上所述，研發一種“建筑工地動態巡察與揚塵測控機器人”，實現自動巡察施工現場動態，并實時記錄、儲存、傳輸信息、計算機和手機終端瀏覽（遠、近程瀏覽），項目領導班子成員根據瀏覽巡視施工現場動態，對現場值班人員發出指令，由現場值班人員通過無線廣播提示各種注意事項或發出禁令，實現實時自動巡檢施工現場揚塵指標，并自動啟動動力系統和揚塵抑制設備工作，再機器人在無人控制下行駛工作，就解決了上述問題。

2 綜合利用技術和設計研發概況

為實現上述目的，本設計研發的技術方案是綜合利用通訊、電子、互聯網、物聯網、衛星遙感、激光測距、雷達測距、衛星定位與慣性導航組合、計算機、機械制造等技術，通過設計制造機器人構造及裝置、硬件電路集成、嵌入式軟件開發，實現智能工作。

3 主要組成部分、基本特征和實現方法

3.1 主要組成部分

建筑工地動態巡察與揚塵測控機器人主要組成部分有：①機器人主體結構、②行走驅動及配電系統、③行走照明與指示系統、④機器人安全與防護構造、⑤行走和轉向狀態測量及轉向控制系統、⑥行走制動控制系統、⑦行走加減速控制系統、⑧行走障礙物測距與避障系統（雷達測距傳感、超聲波測距傳感）、⑨行走定位與測控系統（衛星定位與慣性導航）、⑩影像采集傳輸儲存瀏覽系統、?管理指令系統、?揚塵監測與抑制系統、?電力電源、?總控系統。如三維示意圖（圖1）所示。

圖1 三維示意圖

3.2 機器人主要組成部分的構成、基本特征和實現方法

3.2.1 機器人主體結構內容、基本特征及實現方法

①機器人主體結構

機器人主體結構有:承載底盤、設備承臺、控制設備室、精密儀器安裝平臺、強（弱）電配電柜架、控制主機柜架、可調電瓶吊架、及控制設備室；承載底盤、設備承臺、控制設備室、精密儀器安裝平臺、強（弱）電配電柜架、控制主機柜架、可調電瓶吊架、控制設備室的基本特征如圖2所示，實現方法是采用鋼材等級為Q325的60×40、40×30、30×30mm的標準方管焊接而成。

②行走驅動及其配電系統

行走驅動及其配電系統有:驅動電機、差速器、主動輪軸及減震總成、轉向輪軸與轉向機構、減震總成、空載懸輪總成、行走驅動配電線路7個部分組成，其基本特征如圖3、4、5所示，實現方法是委托加工制作總成、組裝而成。

圖2 三維示意圖

圖3 驅動電機、差速器、主動輪軸及減震總成三維圖

圖4 轉向輪軸與轉向機構、減震總成三維示意圖

圖5 空載懸輪總成三維示意圖

③行走照明與指示系統有：行走照明設備及電路、轉向指示照明設備及電路、LED顯示器及其固定裝置、LED顯示電路。

基本特征如圖1～4所示，主要實現方法是：設計電路圖基地安裝。

④機器人安全與防護構造有：設備間防護罩、前擋玻璃罩、側翼護板、雷達測速傳感器支架及防護罩、超聲波測距傳感器防護罩、前保護罩、后保護罩、電瓶保護罩、行走控制電器配電箱、揚塵監測傳感器護罩。基本特征如圖1～4所示，主要實現方法是：設計圖紙、基地制作安裝。

⑤轉向狀態測量及轉向控制系統有：轉向電機及傳動總成、轉向位移傳感器和支架及傳動總成、行走轉向狀態測量與轉向控制系統供電和信息傳輸電路。基本特征如圖1～5所示，主要實現方法是：設計圖紙、基地制作安裝。

⑥行走制動控制系統有：電動制動推拉桿及其傳動機構總成、液壓泵及油路、行走制動總成、控制電路及信息傳輸電路。基本特征如圖1～5所示，主要實現方法是：設計圖紙、基地制作安裝。

⑦行走加減速控制系統有：加速器和電動推拉桿及其傳動機構總成、轉速傳感器及其支架、供電和信息傳輸線路。基本特征如圖1～5所示，主要實現方法是：設計圖紙、硬件安裝、編寫軟件。

⑧行走障礙物測距與避障系統有：雷達測距傳感器及其支架、超聲波測距傳感器及其支架、供電和信息傳輸線路。基本特征如圖1～5所示，主要實現方法是：設計圖紙、硬件安裝、編寫軟件。

⑨行走定位與測控系統有：衛星定位與慣性導航設備總成、衛星信息接收器、供電和信息傳輸線路。采用北斗定位與慣性導航系統設備，并根據接口協議編寫控制軟件。

⑩影像采集傳輸儲存瀏覽系統有：網絡攝像機及其固定裝置、信息傳輸設備、嵌入式計算機、智能手機等，通過硬件集成、4G網絡和計算機來實現。

?管理指令系統有：音頻發送電臺、發射天線、無線電接收機、功放機、麥克風及揚聲器、供電和信息傳輸線路。通過硬件集成、計算機和發射電臺來實現。

?揚塵監測與抑制系統有：揚塵監測傳感器、揚塵監測指標顯示器、揚塵抑制總成、供電和信息傳輸線路。通過系統設計、硬件集成和編寫控制軟件實現。

?電力電源有:充電蓄電池、燃油發電機、高壓變配電及電箱、低壓變配電及電箱。通過系統設計、硬件集成實現。

?總控系統有：控制主機、嵌入式計算機、供電和信息傳輸線路。實現方法通過硬件集成和編寫控制軟件來實現。

4 軟件設計

4.1 軟件總體設計

4.1.1 需求概括

本系統旨在設計一套嵌入式軟件系統，實現機器人人工操作轉向自動化控制。主要功能模塊分為加減速自動化控制模塊、制動自動化控制模塊、轉向自動化控制模塊、前進后退自動化控制模塊。

4.1.2 運行環境

①硬件環境。開發使用ST公司的STM32F429開發板，開發用PC機為惠普筆記本，運行環境為STM32F429芯片，使用CPU為ARM32-bit CortexTM-M4 CPU附帶FPU，主頻為180M。需同時搭載本項目專用機器人硬件框架，使用本項目專用外設配件。

②軟件環境。軟件需安裝STM32F4xx_StdPeriph_Driver和STM32F429I-Discovery依賴庫，使用STM32 F429開發板，并需要保證2M的片上存儲空間。

4.1.3 總體結構

本軟件系統總體設計框架如圖6所示。

圖6 軟件系統設計框架圖

本軟件操作系統基于STM32F4XX系列代碼庫搭建，通過操作庫函數API實現硬件操作接口調用，從而實現模塊硬件的自動控制，同時與揚塵測控系統、動態巡查系統、導航系統同步通信，根據導航系統或者用戶接口輸入信息，控制機器人完成對應的功能。

4.1.4 功能模塊簡述

本軟件的模塊邏輯框架圖如圖7所示，主要分為5個模塊：①主控MCU模塊，由一塊STM32F429為主控芯片，主要實現與導航模塊的通信，以及底層4個控制模塊的硬件控制；②轉向自動控制模塊，主要通過硬件信號傳輸，接收來自主控MCU的控制信息實現轉向系統的自動化控制，并將實時轉向角度通過硬件信號反饋給主控MCU；③加減速自動控制模塊，接收來自MCU的控制信息實現機器人加速和減速系統的自動化控制，同時將實時速度信息反饋給MCU；④制動自動控制模塊，接收MCU的控制信息實現機器人制動系統的自動化控制；⑤前進后退自動控制模塊，接收MCU的控制信息實現機器人前進和后退切換系統的自動化控制。

4.2 接口設計

4.2.1 用戶接口

本軟件系統通過硬件通信接口打印實時信息到OLED屏幕上，也可以通過硬件串口查看系統運行信息。用戶可以接入導航系統，通過導航系統實現機器人的自動行走，也可以通過串行接口直接使用串行通信協議，直接對機器人的行進進行控制。

其余部分通信協議將在第四部分軟件功能描述中詳細列出。串口通信物理參數如下：

圖7 模塊邏輯關系圖

波特率：9600 bit/s；數據位：8 bit；停止位：1 bit；奇偶校驗位：無

4.3 內部接口

本軟件系統使用的內部接口主要為STM32F4XX系列函數庫，具體使用到的有I2C外設庫、時鐘庫、串口通信庫、IO庫、DAC庫、ADC庫、內部中斷庫、外部中斷庫、SYSTEM庫、FLASH庫。

5 軟件功能設計描述

5.1 通訊模塊流程圖和詳細描述

本系統使用的用戶輸入方式為串行結構通信，具體通訊協議和物理參數已在第三章和第四章后面小節中詳細介紹。本節主要詳細介紹通訊模塊的詳細算法流程，具體算法流程如圖8所示。

本模塊首先初始化對應的硬件通訊接口，然后開啟開啟串口接收中斷。當有串口信息發送過來時，串口接收標志位會發生改變，并進入串口中斷，本模塊對收到的信息都會做信息存儲，等待一次接收完畢之后，對接收到的信息進行校驗。校驗方式為從起始碼開始，將收到的每一字節數據依次累加至數據域最后一字節，然后將累加值和校驗位兩字節數據比對數值，數值相同即為成功，不同即為失敗。若校驗失敗，就將收到的這組數據丟棄；若成功，便根據對應通信協議完成相應功能。

本軟件模塊使用的到的主要支撐庫函數為USART_Init、USART_Cmd、USART_IRQHandler、USART_SendData。

5.2 加減速裝置自動化控制功能流程圖和詳細描述

本系統所使用的底層行走控制裝置為柯蒂斯牽引電機控制器，STM32F429芯片通過電壓信號傳輸至柯蒂斯控制器控制機器人行進速度大小。具體流程如圖10所示。

本算法首先對需要使用的硬件接口進行初始化，然后開始根據接收到導航系統的信息，修改速度設定值。系統通過加裝的速度編碼器，如圖9所示。

圖8 通訊模塊算法框圖

圖9 速度編碼器示意圖

圖10 速度編碼器設計圖

圖11 PID算法框圖

實時監測機器人行駛輪速，當發現實際輪速和設定速度差值大于5%時，便通過PID算法對速度輸入控制量進行調整，具體PID算法流程圖如圖11所示。并將速度輸入量轉化為電壓量，通過DAC輸出至牽引電機控制器，改變機器人行進速度。

本軟件模塊使用的到的主要支撐庫函數為DAC_Init、DAC_Cmd、DAC_SetChannel1Data。制動裝置自動化控制功能流程圖和詳細描述本系統的制動部分主要依賴一個制動電機拉動制動踏板完成。具體結構如圖12所示。

圖12 步進電機設計圖

本系統的制動裝置自動化控制功能具體流程圖如圖13所示。首先初始化硬件接口，然后開始根據接收到導航系統的信息，修改制動設定值。當讀取到需要制動時，本系統先修改速度設定值，將速度設定為0，然后輸出A路PWM信號控制電機正傳，帶動踏板踩下，整個過程需要3S完成。再關閉A路輸出，輸出B路PWM信號控制電機反轉，使踏板松開，整個過程需要3S完成，從而實現制動系統的自動化控制。PWM信號由定時器TIM3產生，通過初始化定時器參數，設定分頻系數和占空比，A路和B路PWM信號的頻率都為1KHz，占空比50%。

本軟件模塊所用到的支撐庫函數接口主要有DAC_Init、DAC_Cmd、DAC_SetChannel1Data、TIM_TimeBaseInit、TIM_OC1Init、TIM_OC2Init、TIM_OC3Init、TIM_OC4Init、TIM_SetCompare1、TIM_SetCompare2、TIM_SetCompare3、TIM_SetCompare4。

圖13 制動裝置自動化控制算法流程圖

本軟件模塊和導航模塊的通信協議，導航模塊發送給STM32F429的控制指令為發送碼，STM32F429會對接收到的控制指令碼原碼回傳，表示已接收。

5.3 轉向裝置自動化控制功能描述

本軟件模塊具體流程圖15，首先初始化硬件接口，然后開始根據接收到導航系統的信息，修改制動設定值。系統實時讀取位移傳感器數據，并根據如圖14所示的對應關系，計算當前角度值。通過當前角度值和設定角度值做差，得到當前角度偏差量，若大于±5%，則計算角度修正方向和角度，并根據方向選擇當前PWM輸出通道，A路通道正轉，B路通道反轉；根據角度大小計算PWM信號占空比，角度越小占空比越小，調整速度越小，反之亦然。然后重新測量當前角度值，直到角度偏差值小于±5%的閾值。

本模塊所用到的支撐庫函數接口主要有TIM_TimeBaseInit、TIM_OC1Init、TIM_OC2Init、TIM_OC3Init、TIM_OC4Init、TIM_SetCompare1、TIM_SetCompare2、TIM_SetCompare3、TIM_SetCompare4。導航模塊發送給STM32F429的控制指令為發送碼，STM32F429會對接收到的控制指令碼原碼回傳，表示已接收。

圖14 傳感器測量值和角度映射關系圖

圖15 轉向裝置自動化控制算法流程圖

5.4 前進后退裝置自動化控制功能流程圖和詳細描述

本系統的前進后退裝置是通過STM32F429主控板輸出兩路控制信號控制電子換相器，從而控制機器人前進與后退之間相互切換。

圖16 前進后退裝置自動化控制算法流程圖

本軟件模塊的具體流程如圖16所示。首先初始化硬件接口，然后開始根據接收到導航系統的信息，修改前進后退狀態。當未收到切換指令時，不做處理；當收到空置指令時，調用IO口控制函數，關閉切換開關，切換至空置狀態；當收到切換指令時，調用IO口控制函數開啟切換開關，開啟切換開關之后根據指令調用IO控制函數切換至前進狀態或者后退狀態。等待下一次切換指令到來。

本軟件模塊所用到的支撐庫函數接口主要有GPIO_Init、digitalHi、digitalLo。

本軟件模塊和導航模塊的通信協議為導航模塊發送給STM32F429的控制指令為發送碼，STM32F429會對接收到的控制指令碼原碼回傳，表示已接收。

5.5 出錯處理

當機器人出錯，或者行駛偏離用戶和導航系統設定時，用戶可以使用遠程電子遙控開關關閉系統的自動控制功能，機器人會直接切換至手動控制模式，以便用戶處理緊急狀況。

6 結束語

綜合利用各種先進技術，通過創新設計與制造機器人實現智能工作，是我國新時期科技興國的戰略舉措之一，我司通過此項目研發和應用，實現了建筑業逐漸從低附加值產品向高附加值產品轉變，逐漸從勞動密集型向智能管理型轉變，具有廣闊的應用前景和深遠意義。