一種全自動除雪機器人設計

何 龍，潘江如，張 成，甄世嬋，李 瀟

(新疆工程學院 機電工程學院，烏魯木齊 831200)

0 引言

我國國土遼闊，由于緯度因素影響，北方的冬季一般會持續3～5個月，部分地區冬季持續時間更長。每當下雪季，道路積雪會嚴重影響出行安全和交通運輸，交通事故頻發[1]。

我國現有的冬季常用除雪方式主要包括人工掃雪、化學融雪和機械除雪這三類[2]。人工掃雪除雪速度慢，費時費力，勞動強度大，在除雪時間上，通常受到諸多因素的限制，不能及時有效地除雪，路面既要遇雪受凍又要被除雪工具敲鑿，極大的縮短了道路的使用壽命；化學融雪除雪法是運用氯化物融雪劑降低雪的融點，化雪成水，以實現除雪的目的，但化學試劑會造成路面腐蝕，極大地減小道路的使用壽命，并且在使用化學藥劑化雪成水的過程中，融雪劑中的化學物質會隨雪水進入到自然環境中去，當這些化學物質在自然環境中超過一定量時，就會導致土壤鹽化鹽害，造成植物受損嚴重枯死，甚至會使動物病害死亡，極易造成污染環境。

機械除雪法則是我國目前使用最普遍的一種除雪方法。但是我國除雪機械的研制起步發展較晚，市場上現有的除雪機械從適用范圍上主要分為兩類：大型掃雪車和小型除雪機。大型掃雪車主要適用于交通運輸路線的積雪清掃，由于設計體積大，只能在寬闊道路上使用，不能在其狹小道路作業，較為典型的是匯強重工生產的HQC GS-5000大功率超寬全鋼絲滾刷系列，每次掃雪寬度在4～5米，這類除雪車只能適用于交通運輸干線的路面清雪工作，而隨著近年來我國城市化的不斷發展，城區面積的逐步擴大，對于小型除雪機的依賴增多，大型掃雪車應用范圍單一，不能廣泛推廣應用；小型除雪機則主要用于人行道、公園小道、學校等狹窄道路場所的除雪作業，然而市面上現有的小型除雪機以手推式為主，智能化、自動化水平低，結構復雜，在進行除雪作業時，普遍需要人工輔助進行積雪的清掃，浪費大量的人力物力資源，費時費力，且除雪效率低，除雪效果差，綜合性能較差[3-5]。

圖1 除雪機器人系統結構設計圖

針對上述小型除雪機存在的除雪效率低、應用范圍小、不能全自動化作業等問題，設計一種全自動除雪機器人，采用計算機控制，實現除雪機器人的全自動路線規劃和導航掃雪，利用網絡RTK實時動態差分定位技術可以達到對除雪機器人5個厘米以內的高精度定位，有效的防止重掃、漏掃現象的出現，極大地提高了除雪效率，使冬季除雪作業更加快捷化、全自動化和智能化，對未來我國的小型掃雪機械向更加智能化的方向發展具有極其重要的推動作用。

1 機器人系統結構設計及原理

一種新型全自動除雪機器人設計主要由控制系統、除雪系統和行走系統三部分組成。除雪機器人工作時，控制系統與運動系統結合，通過控制系統中的網絡RTK實時差分定位模塊、無線數傳等技術手段實現機器人的全自動路線規劃導航，除雪系統在運動系統的帶動下，通過控制系統調節除雪系統中的電機轉速，將收集的積雪噴向道路兩旁。在整個除雪機器人系統裝置的設計中，行走系統和除雪系統是硬件基礎，控制系統是軟件控制核心，控制系統由2.4 GHz發射機、4 G通訊模塊、數據傳輸傳天線、接收機、計算機、主控控制模塊、慣性導航模塊、網絡RTK實時動態差分定位模塊、地面站、定位天線、測向天線、電子調速器12個主要單元組成，通過這12個單元的協同工作，實現了除雪機器人的全自動路線規劃和導航除雪[6]。除雪系統由連接支架、斂雪裝置、掃雪轉筒、噴雪口和無刷電機組成，通過三維建模對除雪系統的機械結構進行了系統的設計與優化，依靠除雪系統可以完成高效快速的除雪工作；行走系統運用雙履帶式結構作為行走系統，其包括支撐骨架、主動輪、誘導輪和電機等機構，可以實現機器人在除雪作業全過程中的全自動運動行進。一種全自動除雪機器人系統設計圖如圖1所示。

工作原理：在除雪機器人作業過程中，當機器人開機自動完成自檢工作后，控制系統首先會通過GPS定位天線和網絡RTK實時動態差分模塊的共同作用，精確獲取機器人的位置信息，控制器自動解讀定位信息確定除雪機器人的地理位置，地面站會實時監測顯示當前除雪機器人位置，同時顯示掃雪機器人定位的衛星數量、掃雪機器人速度、信號質量、經度、緯度、電池電壓等信息。操作者可以通過地面站上的云地圖設置除雪區域和路線，或者通過計算機自主識別規劃行進路線，地面站將這些信息通過數據傳輸天線和4G通訊模塊的配合，傳輸給除雪機器人上的數據接收模塊，當數據接收模塊接受到信息時，會通過計算機的數據解碼運算將信息傳輸給主控制模塊，主控制模塊會根據信息向電子調速器發出指令，電子調速器的兩個輸出端口分別與行走系統中的電機和除雪系統中的無刷電機連接，電子調速器控制電機轉動，以控制機器人的行進系統按指定路線行進和除雪系統進行除雪工作，在三者的共同協調作用下，完成積雪的清掃。

在控制系統的設計中，定位天線實時動態定位除雪機器人的位置，調整除雪路線，測向天線為機器人實時確定方向?？刂葡到y會時刻根據除雪機器人的位置變化，控制器通過電子調速器，調節PWM值改變除雪系統上無刷電機的轉速，調節產生離心力的大小來控制除雪滾筒噴射積雪的距離，使收攏的積雪可以有效的清除到道路兩側[7]。控制系統中的慣性導航模塊，提高了控制系統的穩定性和可靠性，使除雪機器人在冬季復雜的天氣環境下能夠有效地工作；同時網絡RTK實時差分定位模塊通過除雪機器人、地面站和衛星三者間的數據傳輸可以實現對除雪機器人在5厘米以內的高精度定位，可以有效地防止重掃，漏掃現象的出現，使除雪機器人的除雪作業效率大大提升。在實現自動化控制的基礎上，設計了“超聲波+紅外線”的復合避障系統，通過超聲波和紅外線的安裝，確保了對障礙物檢測的可靠性和準確性，極大地降低了單純用超聲波進行檢測的誤判，使除雪機器人的安全性能進一步提升[8]。

在整個除雪機器人的系統設計中以控制系統的設計為核心，通過控制系統驅動行走部分運行，除雪系統實現除雪作業任務。

2 系統硬件設計

2.1 設計思路

一種全自動除雪機器人設計主要從以下幾個設計理念出發。

1)小型化：

隨著社會現代化的不斷發展，城市化的發展速度快速提高，城市群逐漸增多，城區面積逐步擴大[9]。冬季城市道路的清雪對于除雪機的需求也將會增多，而大型的除雪機械已經不能適應城市化的發展，相反小型化的除雪機械更能滿足市場需求?，F今掃雪機械的發展與應用已經較為普遍，但是我國大部分的人行道、街道、小型廣場、公園、社區等區域內的積雪都是依靠環衛工人進行清除工作的，因此加大對小型除雪機的研制，提高其適應范圍，對于冬季的城區道路清雪作業具有重要的意義。

2)全自動化控制+自動避障：

市面上現有的小型除雪機以手推式為主，智能化、自動化水平低，工作效率慢，結構復雜，綜合性能較差，大多依靠人工輔助進行半自動除雪作業，除雪效率低，浪費人力物力。針對目前存在的這些問題，設計一種新型全自動除雪機器人，通過計算機控制實現除雪機器人的全自動路線規劃和導航除雪，使除雪作業實現了全自動化工作。此外在除雪機器人運動系統的前端安裝了“超聲波+紅外線”的復合避障系統，在清掃積雪時避免碰撞到行人和路面障礙物，使除雪機器人的設計更加智能化和人性化[10]。

3)一車多用：

現在國內外設計的小型除雪機械普遍是功能單一型的，只能用于冬季的除雪作業。因此設計一種新型全自動除雪機器人，其除雪系統和行走系統之間通過連接支架實現固定連接，兩者之間是可以拆卸的。在冬天的下雪季，在機器人前端安裝除雪系統可以完成除雪工作，而在非除雪期，可以在機器人的前端安裝其他裝置如割草裝置、吸塵裝置等，只需通過控制系統的重新編程，完成新裝置的功能需求，就能夠實現一車多用的功能[11]，極大的提高了機器人的利用率，節約了購買成本。

根據上述設計思路，設計了一種新型全自動掃雪機器人，其整體設計三維UG建模圖如圖2所示。

圖2 一種全自動除雪機器人三維建模圖

機器人的整體設計是：控制系統位于除雪機器人的頂部，進行數據的搜集和處理，控制行走系統和除雪系統共同完成除雪作業；動力系統和行走系統是一體化設計的，動力系統位于行走系統即除雪機器人的底板上，為機器人工作提供動能；除雪系統處于在除雪機器人的前端，完成除雪任務。在進行除雪工作時，通過這四者協調工作，實現機器人的全自動除雪作業。

2.2 硬件機構的設計

一種全自動除雪機器人的硬件設計主要包括除雪系統的設計和行走系統的設計兩部分。

1)除雪系統：除雪系統由斂雪裝置、掃雪轉筒、噴雪口和無刷電機4部分組成，噴雪系統通過連接支架與運動系統相連接，當需要將機器人用于其他作業時，只需更換除雪系統即可。除雪系統的三維模型設計如圖3所示。最外側的斂雪裝置是模仿推雪式除雪機工作原理，斂雪裝置的設計是由兩個呈150°角度張開的推雪擋板組成，機器人在除雪行進的過程中，兩側采用具有一定傾角的推雪板裝置設計，可以有效地提高積雪的收攏效率。斂雪裝置的推雪板設計能根據掃雪路面的寬度進行的調整，以滿足對除雪路面寬度的工作要求，達到最佳收攏積雪的效果和次數。當外部的斂雪裝置將積雪收攏到內層掃雪轉筒中時，無刷電機會帶動掃雪轉筒同步高速旋轉，依靠轉動時產生的離心力將積雪從噴雪口噴出，完成除雪工作，噴雪的距離則通過電子調速器來調節電機的轉速，改變離心力的大小進行控制。當機器人定位在路面的不同位置時，控制系統會自動計算噴雪距離，向電子調速器發布指令驅動電機進行控制。除雪系統的外層斂雪裝置類似于推板式除雪車機身前的推雪板設計，主要進行積雪的收攏，區別于現有的除雪刷，斂雪裝置的設計在很大程度上降低了除雪機械在除雪時對道路的破壞，提高了積雪收攏的效率。

圖3 除雪系統設計三維建模圖

2)行走系統：在一種全自動除雪機器人的設計中，行走系統和動力系統采用一體化設計，行走系統采用雙履帶運行裝置，包括支撐骨架、主動輪、誘導輪、電機、支重輪和傳動裝置等部分，動力系統安裝在支撐骨架上，在一種全自動除雪機器人的模型設計中采用鋰電池為機器人的工作提供動力。電機帶動主動輪運動，并將動力傳遞到雙履帶結構支撐架的滾動輪上，同時在誘導輪、支重輪和傳動裝置的共同作用下，完成除雪機器人的行進作業。傳統小型除雪機械基本采用輪胎作為行走機構，而冬季下雪路面光滑輪胎易打滑，影響除雪效率。因此除雪機器人設計運用雙履帶式結構作為行進裝置，其優點是除雪機工作時增大了行走裝置與路面的接觸面積，除雪時的防滑效果和避障能力得到明顯提升，可適應多種復雜地形的除雪作業，而且雙履帶式結構使機器人的轉向半徑變小，機器人轉向和行進時的機動性更高，穩定性得到進一步優化，除雪效率明顯提高。同時考慮到金屬履帶式結構對路面具有較大的破壞性，以及一種全自動除雪機器人的設計機身自重較小的原因，因此采用橡膠履帶代替金屬履帶，既能滿足工作要求又能減輕履帶運動方式對路面的破壞程度。行走系統的雙履帶行進機構的設計如圖4所示。

圖4 雙履帶式行走機構

3 實驗結果與分析

一種全自動除雪機器人裝置的設計，通過三維建模和3D打印技術，制作出實物模型，并測得主要技術參數和在冬季道路工作狀況下的數據信息。

3.1 數據參數

表1為本文全自動除雪機器人實物模型主要參數。

表1 全自動除雪機器人實物模型主要參數

根據表1各項數據參數，設計模擬計算得出該全自動除雪機器人實際生產制造和工作中的各項數據參數如表2所示。

表2 全自動除雪機器人實際生產制造和工作中的各項數據參數

依照表2，設計參數的要求，已知在工作狀態下，除雪機器人運行速度Vmax=1.8 m/s，最大除雪幅寬b=1.2 m,則除雪機器人每小時的工作效率為：

P=Vmax×b×T=7 776 m2/h

由知同類除雪機小型柳岸滾刷清雪無死角除雪機工作效率：

P0=5 000 m2/h

則與小型柳岸滾刷清雪無死角除雪機相比，一種新型全自動除雪機器人效率的提高率為：

通過模擬計算可知，一種全自動除雪機器人的工作效率將優于同類小型除雪機械產品，綜合性能穩定。

3.2 運行效果

如圖5、圖6所示，分別為一種全自動除雪機器人實物模型路線規劃圖和工作狀態圖。通過對地面站信息分析和在工作狀況下的除雪機器人信息的統計處理可知，除雪機器人的設計完全可以實現全自動的路線規劃和自主除雪作業，達到對掃雪機器人5厘米以內的精度定位。除雪機器人作業時性能穩定，防滑效果好，避障精準，對地形的適應能力強，綜上所述，本文全自動除雪機器人的綜合性能優于同類小型除雪機產品。

圖5 地面站除雪路況規劃圖

圖6 除雪作業圖

4 結束語

本文全自動除雪機器人設計主要為解決現有的除雪機不能實現自動除雪作業、狹窄道路積雪清掃，應用范圍小等問題，通過對除雪機器人模型的構建和不斷地實驗驗證現有以下結論：

1)除雪機器人可以實現自主路線規劃和自動導航除雪作業，以及精準避障功能的除雪作業，與傳統小型除雪機相比，除雪效率提高了55.52%；

2)采用雙履帶式運行結構設計，極大地提高了除雪機工作的穩定性，除雪機的防滑效果明顯提升，可以適應于多種復雜路面的除雪工作；

3)利用網絡RTK實時動態差分定位模塊，實現了對除雪車5厘米以內的高精度定位，除雪作業時不會出現重掃和漏掃問題，與同類除雪機器人相比，除雪效率大大提高，綜合性能優于現有小型除雪機械。

4)一種小型全自動除雪機的設計，其應用范圍得到了極大的提高，可以適用于人行道、街道、小型廣場、公園、社區、城區等區域路面的積雪清掃作業，同時為我國智能化、全自動化的小型除雪機械的研制提供了一種可行性設計方案。