公路劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人的設(shè)計(jì)

葉浩，肖世德，江巧逢

1 引言
　　
公路劃線機(jī)是用來(lái)在高等級(jí)公路及城市道路上劃各種路面標(biāo)線的專(zhuān)用機(jī)械。在道路的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中也用于在舊標(biāo)線上劃新標(biāo)線[1]。目前劃線機(jī)種類(lèi)很多，它們分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，但其共同的特點(diǎn)都是先通過(guò)人工標(biāo)線，然后進(jìn)行機(jī)械噴涂。人工標(biāo)線工作量大，且工作進(jìn)度較慢，精度較差。針對(duì)這種現(xiàn)象本文介紹了公路劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人，專(zhuān)門(mén)用于提供劃線機(jī)較準(zhǔn)確的路線，減輕了人工標(biāo)線的工作量，提高了劃線的準(zhǔn)確度。

2 劃線導(dǎo)向機(jī)器人概述
　　
劃線導(dǎo)向機(jī)器人的系統(tǒng)基本組成：導(dǎo)向控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走系統(tǒng)和涂料噴涂系統(tǒng)。本文劃線導(dǎo)向機(jī)器人主要用于公路中線的劃線導(dǎo)向，機(jī)器人兩端安裝有超聲波測(cè)距模塊，分別測(cè)量公路兩邊的公路沿到機(jī)器人的距離，通過(guò)西門(mén)子S7-200PLC軟件程序的處理后得出的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人快速地往中線上靠近，進(jìn)而在中線上行進(jìn)。當(dāng)行進(jìn)穩(wěn)定后，涂料噴涂系統(tǒng)中的噴槍開(kāi)始對(duì)地面噴灑涂料，給劃線機(jī)提供較準(zhǔn)確的標(biāo)線。機(jī)器人控制示意圖如圖1所示。



圖1 機(jī)器人控制示意圖

3 導(dǎo)向控制系統(tǒng)
　　
導(dǎo)向控制系統(tǒng)基本組成：超聲波測(cè)距模塊和PLC控制單元。
　　
超聲波測(cè)距模塊一般包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括控制單元、超聲波傳感器、發(fā)射和接收電路等;軟件部分即是固定在控制單元中的程序。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的超聲波測(cè)距儀，可以稍加以改進(jìn)，也可以滿足本文要求。目前的超聲波測(cè)距儀檢測(cè)距離可達(dá)到10m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本文的要求。
　　
本機(jī)器人左右兩端分別對(duì)稱安裝一個(gè)超聲波測(cè)距模塊，左右兩個(gè)傳感器同時(shí)向兩邊發(fā)射超聲波，通過(guò)比較左右傳感器發(fā)射接收的時(shí)間差值來(lái)判斷機(jī)器人是右偏還是左偏，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而是機(jī)器人在公路的中線上行進(jìn)。PLC控制單元在接收到兩邊超聲波測(cè)距模塊傳送的數(shù)據(jù)后，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果右邊的數(shù)據(jù)較小，發(fā)出的超聲波在右邊返回的用時(shí)較短，則機(jī)器人偏向中線的右邊，那么右驅(qū)動(dòng)輪比左驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速快，如此不斷的調(diào)整，最后機(jī)器人位于公路中線上。穩(wěn)定后，控制單元將此時(shí)的超聲波傳回的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)區(qū)中，以后機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪速度就以此時(shí)的速度勻速行進(jìn)，靠傳感器實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整范圍限制在一定的值域內(nèi)，超過(guò)該值域時(shí)，電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始調(diào)整機(jī)器人與中線的距離，使其盡快在中線上行進(jìn)。
　　
PLC控制單元軟件包括：主程序、讀超聲波測(cè)距模塊數(shù)據(jù)子程序和電機(jī)調(diào)整子程序。其程序流程圖如圖2所示。



圖2 程序流程圖

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走系統(tǒng)
　　
機(jī)器人的移動(dòng)方式有輪式、步行式和履帶式。步行式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜且移動(dòng)緩慢，但步行機(jī)器人可以適應(yīng)條件較差的路面。輪式結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但卻只適用于平坦的地形。而履帶式結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、爬坡能力強(qiáng)、不易傾倒等特點(diǎn);克服了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)越障能力、跨溝能力差及打滑等缺點(diǎn)[2-3]。
　　
本文提出的劃線導(dǎo)向機(jī)器人應(yīng)用于路況較好的公路，但考慮到本機(jī)器人是找尋公路的中線行走，輪式結(jié)構(gòu)雖然機(jī)動(dòng)性較好，但其在路面適應(yīng)能力上遠(yuǎn)不如履帶式移動(dòng)方式。結(jié)合各種情況本機(jī)器人采用兩節(jié)并行履帶連接方式，其移動(dòng)方式類(lèi)似坦克的行走機(jī)構(gòu)。兩邊的履帶安裝在前后輪上，后輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)履帶帶動(dòng)前輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。用履帶式結(jié)構(gòu)機(jī)器人不僅可以直行，而且可以利用履帶的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要差動(dòng)器，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。控制方便，轉(zhuǎn)彎半徑小，電機(jī)既可以提供前進(jìn)動(dòng)力，也可以提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力[3]。
　　
驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)選擇帶減速器的直流電機(jī)，電壓為24V。蓄電池的電壓為24V，包括工作蓄電池和備用蓄電池。工作蓄電池不僅給直流電機(jī)供電，還給控制單元供電。備用電池用于工作蓄電池?fù)p壞或突然無(wú)電的情況下。



圖3 履帶式移動(dòng)方式結(jié)構(gòu)示意圖

5 涂料噴涂系統(tǒng)
　　
劃線機(jī)按標(biāo)線所使用的材料分為：冷漆劃線機(jī)和熱塑劃線機(jī)。冷漆劃線機(jī)即在常溫下進(jìn)行噴漆，它有兩種類(lèi)型，即氣噴涂式和無(wú)氣噴涂式。氣噴涂是靠壓縮空氣將漆霧化，然后通過(guò)噴槍嘴噴涂于地面。無(wú)氣噴式劃線機(jī)是利用專(zhuān)用高壓泵對(duì)漆施加10～15Mpa的壓力，然后通過(guò)噴槍噴涂于地面。熱塑劃線機(jī)是將熱熔油漆或熱熔塑料（有顆粒狀和塊狀兩種）在熱熔罐中加熱至使用溫度后，再通過(guò)劃線裝置劃于地面的。其劃線裝置的劃線方式分為：刮涂式、擠壓式和噴涂式[4]。結(jié)合本文劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人的應(yīng)用重點(diǎn)是導(dǎo)向機(jī)器人給劃線機(jī)提供標(biāo)線，所以導(dǎo)向機(jī)器人的涂料噴涂系統(tǒng)不會(huì)像劃線機(jī)上的噴涂系統(tǒng)那么復(fù)雜，只需要滿足能夠給劃線機(jī)提供可以識(shí)別的標(biāo)線即可。
　　
本文涂料噴涂系統(tǒng)采用冷塑無(wú)氣噴式，即在常溫下利用專(zhuān)用高壓泵和噴槍進(jìn)行噴漆的方法。其基本組成有：高壓泵、涂料箱、噴槍及其控制噴槍的電機(jī)。涂料噴涂工作過(guò)程：高壓泵向涂料箱中進(jìn)行加壓，當(dāng)控制噴槍的電機(jī)得到控制單元的指令時(shí)，電機(jī)開(kāi)始工作并使噴槍噴出涂料。本系統(tǒng)安裝在履帶式底盤(pán)后部，噴槍安在中線上，機(jī)器人行走時(shí)，噴槍對(duì)準(zhǔn)地面進(jìn)行噴漆。

6 總結(jié)
　　
與目前傳統(tǒng)的公路劃線機(jī)劃線過(guò)程相比，本機(jī)器人有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，本機(jī)器人實(shí)行自主尋找中線方向，不需要人為操作。第二，本機(jī)器人給公路劃線機(jī)提供較精確的中線標(biāo)線，不需要人工標(biāo)線，大大地減輕了工人的工作量。第三，本機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，能適應(yīng)于惡劣的野外環(huán)境。
　　
本文創(chuàng)新點(diǎn)：將PLC用于控制系統(tǒng)，適用于環(huán)境惡劣的野外作業(yè)，穩(wěn)定性強(qiáng)。應(yīng)用了履帶式的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于復(fù)雜的路況，機(jī)器人移動(dòng)性能穩(wěn)定。

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