基于單片機的遠程可控人工智能磨光機設計

李元勇　張坤　毛理想　張杰

摘 要：磨光機廣泛應用于道路建設、建筑工地、橋梁工程、室內工程等場合。傳統的磨光機均需要人工操作，并且存在工作效率低、人工成本高、使用安全性較差等問題，特別在高樓樓頂等特殊工作場合操作的便捷性和安全性極差。雖然現在市場上已有駕駛型磨光機，但由于其體積過于龐大，僅僅適合在打磨面積較大的水平地面之上工作，不能在高樓樓頂等相對特殊的工作地點使用，而且機器的運輸也比較麻煩，使用便捷性較差。為了解決上述現有磨光機存在的一系列問題，對市場上使用最普遍的兩種磨光機技術進行了深入分析，在相關理論研究基礎之上，提出并設計了遠程可控人工智能磨光機方案。設計的方案能夠通過基于單片機的控制系統實現手機遠程操控磨光機啟停及運動等相關工作，磨光機的運動是通過磨光機主體四個方向上風扇的擺動和自身轉動實現的。磨光機頂部裝有360°方向攝像頭，可以通過遠程控制實時向手機傳輸工作環境的視頻信息，可以在高樓樓頂或者是比較狹小的工作環境進行磨光工作，大大的減少了因工人操作和工作環境等問題帶來的安全隱患，具有體積小、使用便捷、適應性強、工作效率高以及使用范圍廣的特點。

關鍵詞：磨光機 遠程控制 人工智能 單片機

1 引言

近年來，磨光機的應用十分廣泛，涉獵交通、建筑等多行業。在相關行業繁重的工作負荷下，為了進一步提高工作效率，減少工人工作負擔，國內外學者和相關企業對智能磨光機的設計研究一直不曾間斷，駕駛型磨光機早已投放國內市場，這種磨光機工作效率大幅提高，但因體積龐大，在高空工作時存在運輸困難以及安全問題，適用范圍比較局限，且生產成本較高。國外市場也曾有類似我國駕駛型磨光機的機型出現過，還有相關人士提出了設計全智能磨光機的想法，但迄今為止沒有投放市場，并且國外研究側重提高裝置工作效率，在磨光機適用范圍方面沒有過多改進。

目前，市場所用磨光機大都仍需要人工來操作機器，雖有稍微改進，但沒解決操作繁瑣、效率低下的本質問題，特別是高空作業用磨光機。從上述的問題可以得知，現在的建筑行業、交通行業均需要一種可以代替人工操作的智能磨光機。為解決上述問題，本文設計了一款基于單片機的遠程可控人工智能磨光機。

2 現有磨光機技術分析

2.1 傳統手推式磨光機

手推式磨光機體積適中，現今應用最廣泛，但需要人工進行操作，不僅加大了工人的工作強度，而且工人在操作過程中容易出現一些安全問題，工作效率也比較低，不夠快捷智能。

2.2 駕駛型磨光機

駕駛型磨光機工作效率大幅提高，但因體積龐大，不適應于高空工作，且生產成本較高。在相關行業繁重的工作負荷下，相關企業已批量生產駕駛型磨光機。而對于高樓建筑所用磨光機，雖有稍微改進，但沒解決操作繁瑣、效率低下的本質問題。圖1所示為兩種不同類型傳統磨光機的結構示意圖。

3 遠程可控人工智能磨光機的方案設計

為了解決上述問題，本磨光機擬采用智能控制技術和無線傳輸技術，設計一款基于單片機的遠程可控人工智能磨光機。研究內容主要是對人工智能磨光機的運動系統和控制系統兩方面進行設計。遠程可控人工智能磨光機的技術路線，如圖2所示。

3.1 遠程可控人工智能磨光機的組成

本磨光機由磨光機本體（包括小型汽油機、工作磨盤等）、360°方向攝像頭、4個可轉動風扇、可升降支撐板、電機、單片機及輔助部件等主要部件組成。人工智能磨光機的三維結構如圖3所示。

360°方向攝像頭，安裝在磨光機的中心頂部位置，用于實時拍攝磨光機工作環境狀況，以便于操作者遠程控制磨光機進行相應的工作。可轉動風扇，安裝在磨光機本體的四個不同方向上，用于給磨光機的移動提供相應的動力。單片機及輔助部件，安裝在磨光機本體上方的固定位置，用于向操作者發送360°攝像頭拍攝的畫面、接受分析來自操作者的遠程控制指令，并且控制磨光機各個部件的工作狀態。可升降支撐板，安裝在風扇的下方，用于控制風扇的高度。工作磨盤，安裝在磨光機的底部，用于打磨工作區域。電機，安裝在磨光機本體的固定位置，與相應的螺紋桿和轉動軸相連，用于提供風扇升降和轉動的動力。小型汽油機，安裝在磨光機本體的上方，與磨光機變速機構相連接，通過小排量的四沖程汽油發動機提供動力、變速機構控制輸出轉速，最終獲得磨光機底盤工作葉片旋轉所需的轉動動力。

3.2 遠程可控人工智能磨光機的研究內容

3.2.1 人工智能磨光機運動系統的設計

（1）支撐板豎直升降結構的設計

支撐板豎直升降臺用于風扇的豎直高度調節。通過電機轉動帶動螺紋桿進行轉動，從而使矩形塊進行水平滑動，第一連桿和第二連桿構成剪刀狀結構，第二連桿沿著導向桿的往復運動轉化為支撐板的上下移動。因為螺紋連接具有較好的自鎖效果，所以選用螺紋傳動可以保證設備支撐板豎直滑動以后具有良好的穩定性。支撐板豎直升降結構如圖4、圖5和圖6所示。

（2）轉動軸鎖定機構的設計

轉動軸內設在支撐板上方的固定圓筒內，通過圓筒內設電機帶動，其上端貫穿圓筒固定連接風扇，同時考慮到電機的軸都會有輕微的可轉動空間，當風扇吹風的時候，其會產生震動，轉動軸也會跟著晃動。這種情況的出現，不僅會導致設備的吹風效果下降，還會加速設備的損害，所以在風扇轉動軸的底部采用卡板與鎖定輪配合的方式來完成轉動軸轉動以后的卡死功能，由此來避免上述情況的發生。鎖定輪與卡板配合結構如圖7所示。固定圓筒上端固定連接有電動推桿，并與卡板固定連接，通過電動推桿的伸縮帶動卡板的移動。

下面結合圖3-圖7對人工智能磨光機主要結構部件實現的功能進行介紹：

360°方向攝像頭用于實時拍攝磨光機的工作區域視頻，并上傳至單片機；單片機是裝置的控制核心，主要控制電機以及電動推桿的運動，同時可以通過藍牙與手機實現雙向的數據通信；風扇是設備移動的直接動力源，通過風扇的擺動和自身轉動產生動力實現磨光機的移動，其轉向及風速的調節受單片機控制；支撐板豎直升降臺（圖4、5、6）用于風扇的數值高度調節；電機通過轉動帶動轉動軸進行轉動，從而帶動風扇進行擺動；電動推桿通過伸縮，從而去推動卡板進行水平的滑動，卡板卡住鎖定輪（圖7），從而完成轉動軸的固定。

3.2.2 人工智能磨光機控制系統的設計

單片機實驗開發板是以單片機為核心的測控集成系統。可直接用于控制各種負載，成為實用的嵌入式控制系統[1]。人工智能磨光機的控制系統設計：通過單片機程序開發來實現單片機快速準確地采集外部數據，并自動執行各種指令，通過C語言程序優化來保證單片機在十分復雜的計算機與控制環境中，可以正常有序的進行，最終實現單片機對人工智能磨光機的相關控制功能。人工智能磨光機的控制系統結構示意圖，如圖8所示。

3.2.3 人工智能磨光機控制系統的創新性和設備特點

（1）創新性：通過控制系統可實現手機遠程操控磨光機啟停及運動等相關工作；根據360°方向攝像頭傳輸現場視頻，通過控制手機實現遠程實時控制；通過風扇的擺動和自身轉動實現磨光機的移動。

（2）設備特點：設備智能，操作簡單，工作高效，生產成本低；實現遠程可控及實時監控操縱功能。

4 遠程可控人工智能磨光機工作原理分析

設備工作時，可以通過設備本身的機械開關啟動，也可以通過手機上的啟動按鍵啟動。磨光機本體頂部的360°方向攝像頭用于拍攝磨光機工作區域的俯視視頻，并將攝像頭采集到的數據上傳到單片機。單片機對視頻數據進行暫存處理，然后將處理后的視頻通過藍牙實時傳遞給手機，操作者根據實際的工作需求，通過操作手機頁面上的移動虛擬按鍵來向單片機發送信號，經單片機分析工作人員所要求的的裝置移動方向后，單片機會根據分析的結果向第各個電機和電動推桿發送指令，使得方向轉動至需要的位置，進而控制風扇的轉動、轉向以及吹風高度等工作狀態，以風扇轉動產生的推力作為磨光機裝置的運動的動力，最終達到遠程控制磨光機各種工作狀態的效果。工作完成后，工作人員可以操作手機上的熄滅虛擬按鍵通過單片機來使裝置停止工作。

5 結語

遠程可控人工智能磨光機使用更加便捷、適應性更強、使用范圍更廣、效率更高，具有較高的實用價值。隨著科技產品的不斷涌現和人工智能技術的不斷成熟，各行業都在積極研究相關行業的智能化設備[2，3，4]，為遠程可控人工智能磨光機的推廣應用提供了必要的技術條件。中國現有的基建市場規模相當巨大，本設計的遠程可控人工智能磨光機能夠在一定程度上減少工人操作機器時的工作強度和意外事故發生的概率，符合市場要求，具有較好的市場前景。

基金項目：2021年校級大學生創新創業訓練計劃項目：基于單片機的遠程可控人工智能磨光機（項目編號：X202113857082）。

參考文獻：

[1]鄒家柱，段瓊瑾.單片機實驗開發板的設計與實現[J].裝備制造技術，2011（07）：75-77.

[2]趙建新.基于網絡的自動化設備遠程監控系統現場層設計與實現[J].科學技術創新，2020（34）：110-111.

[3]金洪吉.基于物聯網的工業設備遠程監控系統研究[J].產業與科技論壇，2020，19（14）：35-36.

[4]王東林，范英男，梁國濤，等.設備遠程監控與控制系統開發研究[J].汽車制造業，2022（05）：48-51.