電磁循跡式校園除雪機器人設計與實現
2017-8-8 來源： 西安市鐵一中學，陜西 西安 作者： 劉家睿
摘 要：我國北方地區降雪后，學校師生通常采用人力方式進行校園內路面的積雪清理。基于校園需求，結合校園內道路簡單、白天人群密集等特征，本文設計了基于電磁循跡的校園自動除雪機器人。利用該裝置除雪，一方面可以減輕師生清除積雪負擔，另一方面能方便快捷地清理積雪。
關鍵詞：電磁循跡；電磁傳感器；超聲波傳感器；自動除雪
本項目所設計的機器人由電磁傳感器通過感應鋪設在校園道路上的電磁軌道線路來進行清雪工作，規避了外界環境對機器人行走路線的干擾，使機器人在白天、黑夜都可以進行工作；由超聲波傳感器感知前方是否有障礙，當判斷前方有行人距離機器人較近時停止前進，適時躲避行人，保證了校園內學生的安全；由向右側道路傾斜和道路形成一定夾角的推雪鏟斗將道路上的積雪推到道路兩側，不會對校園環境產生破壞。樣機實驗表明：該機器人結構簡單、體積小巧，可以為學校的主要道路清出一條安全的人行通道，從而解決大量降雪時校園內除雪不及時和除雪時破壞校園學習環境的問題。該設計可以廣泛推廣，方便出行。
一、前言
我國北方地區每年大概有 3-5 個月的降雪期。為了保障大多數人雪后上班、上學的出行安全，環衛人員利用大型掃雪設備或通過撒布化學藥劑等方式清理主要道路上的積雪，而忽略諸如校園、居民小區里的狹小路面，積雪往往靠師生、居民自己清除。對于校園等的狹小路面，目前的除雪方法存在如下不足：除雪方法原始且效率低、大型除雪設備無法進入、化學融雪劑因耗能大、成本高、易造成環節及路面污染和腐蝕而不能使用。因此研制符合校園實際的體型小巧、效率較高、成本較低、安全性高、便于操作的除雪裝置顯得尤為必要。本項目所設計的“電磁循跡式校園除雪機器人”便是借鑒大型除雪裝置機理且滿足上述要求的除雪裝置。
二、需求分析
本項目設計的校園自動除雪機器人需要滿足以下幾個功能：
（一）除雪功能
除雪機器人首要工作就是清雪掃雪，校園道路人流比較集中，下雪后必須及時清理，清理時間最好是在上課時或放學后進行。這就要求除雪機器人要能適用于學校道路，并且能夠及時、噪聲小并以環保的方式進行除雪工作。
（二）自動行駛功能下雪時間不固定，積雪又要及時清理，因此除雪機器人除了要滿足在指定道路上行走外，還要能夠適應各種不同的時間段，即在天亮、天黑的情況下均能運行。所以對于自動行駛的功能要滿足任何時段、任何光線下可以按照指定路線進行清理工作。
（三）躲避行人功能在機器人自動清理積雪過程中，難免會有行人經過，要避免行人和除雪機器人相互影響，機器人在行駛過程中要能夠識別前方是否有行人經過或擋路實現躲避行人的功能。
三、總體設計方案
針對需求分析結果，本項目以電機驅動的雙驅智能車底盤為平臺，采用Arduino單片機開發板為機器人主控制器，利用（電磁）循跡傳感器控制機器人運行路徑，距離（超聲波）傳感器判斷行人從而進行避讓，通過推雪鏟斗的機械推雪方式進行道路除雪工作，項目總體結構如圖1所示。
圖1 總體結構圖
（一）循跡模塊
本項目選用電磁循跡，其原理簡述如下。路徑中央的導線通有正弦規律變化的電流，由畢奧——薩伐爾定律可知，變化的電場激發變化的磁場，且磁場與電場的變化規律一致。 對于通有穩恒電流 I 長度為 L 的直導線，周圍會產生磁場，距離導線距離為 r 處 p 點的磁感應強度為
當通電導線上方置有線圈繞成的電感時，正弦電流會引起通過線圈回路所圍成的磁通量Φ的變化，回路中會產生感應電動勢 e，由法拉第電磁感應定律可知，感應電動勢大小與通過導線回路的磁通量變化率成正比，即
其中 k 為線圈面積，由式（4）可知當線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。即電感離通電導線越近，感應電動勢就越強，反之電感離通電導線越遠，感應電動勢就越弱。在除雪機器人中軸線前方安裝有對稱的電磁傳感器，當機器人自動行駛過程中偏離通電導線，前方的電磁傳感器會產生感應電動勢。在理想情況下，通電導線正好穿過機器人的中心軸，則兩邊電磁傳感器產生大小相等、方向相同的感應電動勢，其差值為零。如果機器人在行駛過程中偏移了方向，兩邊的電磁傳感器會產生電動勢差值，通過 AD 轉換器將電動勢差值轉換成數字信號由單片進行處理，從而調整其行駛方向。
（二）避障模塊
避障可以使用紅外傳感器或者超聲波傳感器，同樣是為了不受室外環境的干擾，所以本項目采用了超聲波傳感器。在檢測障礙時，超聲波傳感器發送器發出40KHz 的脈沖超聲波，如除雪機器人前方遇到
障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經LM318兩級放大，再經帶有鎖相環的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當 LM567 的輸入信號大于25m V時，輸出端由高電平變為低電平，80C51
單片機處理。
（三）除雪裝置
經過文獻研究發現，除雪方式分為：融雪除雪法、機械除雪法和綜合式除雪法。除雪機器人采用傾斜式推雪鏟斗設計鏟斗是由類似字母“C”形的加強鋼板構成，并對其內表面進行拋光處理，使其在傾斜一定角度后具有將積雪向道路外側鏟除的作用。（四）單片機模塊單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU、隨機存器RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統、定時器/計數器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用單片機模塊是整個機器人的大腦，處理傳感器的各種信息，并作出正確的判斷。
四、機器人軟件設計
圖2 程序流程圖
機器人軟件程序主要由各硬件初始化模塊、循跡和避障處理模塊、驅動模塊組成。主程序流程圖如圖2所示。
五、電磁循跡式校園除雪機器人實現
（一）模型實現
1、機械結構。
為了加快開發進度和降低開發難度，本項目設計過程中采用市面上的智能小車底盤作為機器人開發平臺，最終選用了雙驅智能小車底盤。
2、硬件的選型與設計。
（1）單片機。單片機選用了 Arduino 開發板。Arduino 它沒有復雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編，只是簡單而實用的函數。而且具有簡便的編程環境 IDE，極大的自由度，可拓展性能非常高。標準化的接口模式為它的可持續發展奠定了堅實的基礎。
（2）超聲波傳感器。超聲波傳感器選用HC-SR04 超聲波測距模塊，提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。
（3）電磁循跡傳感器。電磁循跡傳感器選用了一體化四路電磁傳感器模塊，有四路模擬信號輸出，供單片機循跡使用。
（4）鏟雪裝置。本設計只是測試功能的小車模型，無法用鋼板制作“C”型鏟斗，故用半弧形塑料片加支架固定在小車前方來模擬鏟斗。
（二）程序寫入
相較于選擇硬件及組裝，自動除雪機器人程序的編寫與調試可以算作本項目的難點。通過arduino IDE開發程序分別編輯各模塊的控制代碼，并將其寫入機器人的單片機進行調試。電磁循跡模塊控制程序。通過電磁循跡模塊返回的4路模擬信號，判斷小車所對應電磁軌道的位置，始終保持小車中間對這電磁軌道。實現小車沿軌道的行使。超聲波測距模塊控制程序。判斷超聲波傳感器返回的據前方障礙物的距離，當距離小于5cm 時，驅動電機停止工作，當距離大于 5cm 后驅動電機重新開始工作，使機器人繼續前進。驅動電機的控制程序。控制小車驅動電機，使之完成啟動、停止、轉完的功能。
（三）實驗驗證
為驗證循跡式校園除雪機器人的除雪效果，本實驗通過設計不同的場景進行模擬。本實驗從自動行駛、障礙物躲避和除雪效果三個方面進行對比。自動行駛部分我們通過調節室內燈光亮度模擬白天和黑夜，通過遮擋燈光模擬建筑物陰影。結果顯示，采用電磁循跡方式的機器人不受光線強弱及道路陰影的影響，能夠按照指定軌跡行駛。而采用紅外線循跡的機器人在明暗對比強烈的場景下，會出現脫離軌跡方向的情況。在障礙物躲避部分，我們通過在機器人行駛軌跡上放置障礙物來模擬經過的行人。結果表明，采用兩種循跡方式的機器人在行駛過程中遇到障礙物市都會停止行駛，在障礙物移除（行人走開）之后會繼續沿指定軌跡行駛。最后一部分是除雪效果的檢測。我們通過在地上鋪灑面粉模擬道路積雪。結果顯示，機器人鏟雪裝置基本可以將路面的“積雪”清推到道路兩側，為行人清理出可以行走的道路。除雪效果明顯。
（四）實驗總結
根據對不同場景的模擬實驗，可以看出：裝有電磁循跡的機器人比用紅外線循跡模塊的機器人更能夠適應多種光線條件下的正常行駛，可全天工作；安裝超聲波模塊可以達到躲避行人的目的；鏟雪裝置可以完成基本的鏟雪任務。
六、創新性
本電磁循跡式校園除雪機器人有著如下創新之處：第一，采用電磁尋跡，規避了外界環境對機器人行走路線的干擾，使機器人在白天、黑夜都可以進行工作。第二，采用超聲波進行躲避行人，保證了校
園內學生的安全。第三，采用了機械除雪，不會對校園環境產生破壞。
七、結論
本電磁循跡式校園除雪機器人，不僅具有結構簡單、體積小巧、操作簡單、效率較高、成本較低等特點，為了能自動除雪采用了電磁循跡，并且加入了避障功能，保護了學生的安全，因此還具備安全穩定的特點。樣機實驗表明，該機器人可以在校園中自動清出人行通道。該設計主要適用于校園，也可應用在公園空地、工廠空地、社區、廣場空地等場合，使清雪除雪更加高效，方便人們日常出行。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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