隧道反光環清洗機器人的設計與實驗研究

沈玉頻，李玉寒，首照宇，趙暉

(1.貴州省公路開發有限責任公司黔南營運管理中心，貴州黔南 558000；2.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西桂林 541004；3.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林 541004)

0 前言

近年來，隧道反光環作為降低隧道照明用電量及誘導駕駛員行車效果的有效措施，已在長隧道及特長隧道中廣泛應用[1-2]。隧道反光環安裝于隧道內輪廓，通常由鋁板或不銹鋼板制成，迎向行車方向上粘貼高性能白色或黃色反光條，其工作原理為：隧道反光環接收到進入車輛的燈光后，利用其反光條將光線逆反射產生照亮隧道的光線，最終在隧道內顯示為一個半圓的拱形光圈[3]。根據貴州、廣西等省(區)的實驗可知，通過在隧道內部設置反光環，隧道內的行車誘導效果得到較大改善，產生了良好的安全效益及經濟效益[4]。

在隧道中設置反光環，雖然可以誘導車輛行駛、改善隧道的安全行駛環境、節省隧道的照明用電量，但是在長時間使用過程中，灰塵等細小顆粒的覆蓋導致反光環反光效果下降甚至不反光，因此需要定期對反光環進行清洗。目前清洗反光環時只能將車道封鎖，人工乘坐升降車清洗，導致清洗效果差、效率低、成本高，加劇了隧道內的安全隱患。隧道反光環清洗困難的問題鮮有深入研究，一直未得到有效解決。本文作者設計了一種隧道反光環清洗機器人，該機器人集自主行走和自動清洗功能于一體，在保證隧道車輛正常通行的情況下，只需將機器人安裝于反光環底部，機器人可自主沿反光環行走，實現對隧道反光環的自動清洗，具有清洗效果好、效率高的優點，可以大大降低反光環的運行維護成本。

1 總體設計

隧道反光環清洗機器人是一個集機械、電子、控制于一體的系統，由3個部分與9個模塊組成，如圖1所示。3個部分是指機械部分、控制部分和傳感部分；9個模塊是機械部分的主框架、行走機構、清洗機構，控制部分的傳感響應模塊、驅動模塊、遙控模塊和電源模塊，傳感部分的終點檢測器和邊緣檢測器。

圖1 隧道反光環清洗機器人組成

2 機械部分設計

2.1 主框架部分設計

經過隧道實地考察了解到，隧道弧頂位置設有燈具線槽，線槽和反光環遠離墻壁一側之間的距離最近只有5 cm，如圖2所示，這就要求機器人的主框架側邊必須足夠狹窄，才能順利通過該位置，因此，此機器人采用Π形主框架結構，如圖3所示。

圖2 隧道反光環真實安裝情況

圖3 Π形主框架結構

該Π形主框架結構包括主板、側板以及板上加強筋等，采用鋼板拼焊而成。Π形機架結構具有結構穩定、剛度高、側板薄等優點，使得該機器人在使用時能夠較好地夾緊反光環并穩定行走，且能夠順利通過燈具線槽與反光環之間狹窄縫隙。

2.2 行走機構設計

隧道反光環是由一塊塊反光板拼接安裝形成，每塊反光板均是通過兩塊直角鋁板固定在隧道的墻壁上，直角鋁板和反光板通過8個鉚釘連接，因此直角鋁板的厚度和鉚釘的凸起就造成反光板背面會有8 mm左右的厚度增加，如圖4所示。

圖4 反光環安裝鉚釘

為了使該機器人能始終緊緊貼合在反光環上，隧道反光環清洗機器人的行走機構采用輪式爬行機構[5-6]。該行走機構主要由驅動電機、主同步輪、從同步輪、同步帶、塊狀底紋橡膠輪組成，如圖5所示。不僅使用了塊狀底紋橡膠輪，并設計了彈簧越障裝置，以保證橡膠輪對反光環的夾緊力，使得該機器人能夠順利通過反光環上凸起的鉚釘、階梯狀反光環等障礙。

圖5 行走機構

2.3 清洗機構設計

隧道反光環清潔機器人的清洗裝置包括旋轉圓盤清洗刷和下壓式彈性清洗刷兩部分。旋轉圓盤清洗刷由驅動電機(帶電機架)、舵盤、圓盤刷組成，如圖6所示。該機器人在反光環上工作時，圓盤清洗刷由驅動電機驅動對反光環進行清潔，同時旋轉運動方式又能降低該機器人在反光環上的行走阻力。

圖6 旋轉圓盤清洗刷

由于旋轉圓盤清洗刷存在清潔死角，所以增加了下壓式彈性清洗刷以達到對死角進行有效清潔的效果。該下壓式彈性清洗刷由清洗刷支架、拉簧、清洗刷組成，如圖7所示。并且在圓盤刷和清洗刷外側邊緣都有一定的上翹弧度，使其能夠順利通過兩反光板交疊位置。為了實現該機器人在反光環兩端往復清洗以及加強清潔效果，在該機器人兩端均安裝了相同的清洗裝置。

圖7 下壓式彈性清洗刷

3 控制部分設計

此機器人選用STM32F103C8T6單片機為核心控制器[7]，構成單片機控制電路，結合TB6612驅動芯片、HC-06藍牙模塊和電源電路組成控制系統，控制隧道反光環自動清洗機器人在反光環上自動行走，并且對反光環進行清洗，必要時刻也可以通過遙控器對其進行控制，實現人為的定向清洗。遙控器是由一對HC-06藍牙互聯實現的，在隧道中可以穩定工作。系統框圖如圖8所示，其系統構成穩定，運行狀態良好，達到對隧道反光環清洗機器人的控制目的。此系統可廣泛應用于機器人控制領域，實現對機器人的自動控制或人工控制。

圖8 系統框圖

4 傳感部分設計

由于隧道反光環呈圓弧形安裝效果，為使機器人運行過程中不掉落，機器人必須沿著反光環的弧線行走。在機器人靠近反光環內側一端，安裝前后兩組邊緣檢測傳感器，當檢測到機器人脫離反光板邊緣處時，控制機器人外側輪子轉速大于內側輪子轉速，依靠差速原理實現機器人向隧道內壁方向轉向，從而實現機器人沿著整個反光環的弧線路徑行走。

邊緣檢測傳感器選用微型對射NPN型光電開關。當一端的紅外線被另一端接收，傳感器返回高電平；當一端的紅外線被障礙物遮擋，傳感器返回低電平。這里的障礙物就是隧道的反光環。當機器人運行脫離反光環邊緣時，控制器會檢測到傳感器返回值，為此改變機器人的電機速度來調整機器人在反光環上的運行路線。微型對射NPN型光電開關的收發原理如圖9所示。

圖9 微型對射NPN型光電開關原理

5 基于ANSYS Workbench的主框架變形分析

此機器人能否在隧道反光環上安全穩定地運行取決于主框架的剛度和質量。確定了清洗系統主框架結構后，利用ANSYS Workbench進行仿真分析[8]。網格大小為1 mm。在主框架兩側板頂端分別施加相反的拉力，拉力方向垂直于側板平面，大小為20 N。對隧道反光環清洗主框架進行如下分析：(1)板材不同厚度對框架受力變形的影響。材料統一為201不銹鋼，厚度分別設置1、1.5、2、2.5、3 mm，不同厚度總變形位移云圖如圖10所示(以1.5、2 mm為例)。

圖10 不同厚度總變形位移云圖

不同厚度的框架在受力大小、方向以及網格大小相同的條件下，厚度成為唯一變量。對比圖10可得出：隨著厚度增加，框架的總變形位移量在不斷減少。但是厚度增加，質量必然隨之增加，在可接受的變形范圍內，主框架選擇2 mm的厚度。

(2)不同材料對框架受力變形的影響。厚度統一為2 mm ，材料分別選擇201不銹鋼、鑄鐵、鋁合金。

分析圖11可得：201不銹鋼、QT600鑄鐵、2024鋁合金3種材料的彈性模量依次遞減，所以總變形的最大值依次增大。因此，此清洗系統主框架選擇2 mm厚度的201不銹鋼板加工制作。

圖11 不同材料總變形位移云圖

6 實驗樣機搭建及驗證

依據機器人各部分理論分析與仿真計算，研制一套隧道反光環清洗機器人樣機，樣機總質量6.2 kg，分別在實驗室和貴州省都勻段高速隧道真實環境下進行了清洗實驗，如圖12所示。圖12(a)中機器人由點1向上運行至點2，又由點2向下運行至點3，往復清洗效果良好；圖12(b)中機器人由點1向上運行至點2，由點2繼續向上運行至點3，直到完成整個隧道反光環的清洗。

圖12 實驗樣機在實驗室和真實隧道環境下的測試

7 結論

(1)設計了一種隧道反光環清洗機器人，該機器人以橡膠輪對稱夾緊方式行走，利用電機差速原理進行轉彎動作，實現了機器人在隧道反光環上進行清洗作業。

(2)介紹了機器人的機械部分、控制部分、傳感部分的設計，重點分析了機器人主框架的靜力學變形問題，并利用數值分析，得知選用201不銹鋼材料、厚度為2 mm時，主框架剛度可以滿足要求，且自重較輕。

(3)通過搭建樣機進行實驗，驗證了機器人在真實隧道環境中能夠安全可靠地行走；在實際清洗過程中，通過往復行走清洗，可以達到預期清洗效果。該分析結果為隧道反光環清洗機器人的設計和優化提供了基礎。