牛舍清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與避障設(shè)計

堯李慧，蔡曉華，田 雷，侯云濤

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

牛舍清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與避障設(shè)計

堯李慧1，蔡曉華2，田 雷1，侯云濤2

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

對牛舍清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與避障設(shè)計進(jìn)行分析與研究，并針對清潔機(jī)器人在完成清潔任務(wù)的過程中遭遇障礙物及運(yùn)行路徑的全覆蓋問題，對清潔機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。同時，對清潔機(jī)器人重要設(shè)備如電機(jī)、電池及控制器等進(jìn)行選型，通過對各障礙物進(jìn)行分類識別，并結(jié)合迂回式路徑規(guī)劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略，實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人對牛舍的全方位清掃工作。實(shí)踐證明：在基于障礙物分類識別的迂回式避障策略設(shè)計與靠墻或牛欄障礙物避障策略設(shè)計，在清潔機(jī)器人發(fā)展歷程中起著關(guān)鍵性的作用。

牛舍；清潔機(jī)器人；避障策略；障礙物分類識別

0 引言

當(dāng)前，機(jī)器人已經(jīng)成為人類生活的重要組成部分，在人類的生活、學(xué)習(xí)與工作中體現(xiàn)得淋漓盡致，極大地提高了其效率。針對機(jī)器人的使用方式與使用功能，可以把機(jī)器人分為家用、醫(yī)用與軍用等類型。其中，自主智能化服務(wù)機(jī)器人為機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的首要趨勢，它是將理論與實(shí)踐相結(jié)合的一門技術(shù)，是當(dāng)今人類所分析與研究的熱門。國家在發(fā)展，科技在不斷地創(chuàng)新，服務(wù)類機(jī)器人領(lǐng)域的突破也在與時俱進(jìn)，不斷成為人類生活中必不可少的一部分，以清潔機(jī)器人最為明顯[1]。

本文將重點(diǎn)研究牛舍清潔機(jī)器人。牛舍清潔工作是一項(xiàng)循環(huán)往復(fù)的枯燥勞動，工作量大，且做不到24h不間歇地清掃，容易導(dǎo)致牛舍環(huán)境氣味污染等。牛舍清潔機(jī)器人與其他服務(wù)類機(jī)器人在功能與使用場合上均不相同：服務(wù)機(jī)器人均是用在固定的區(qū)域場合中，環(huán)境地圖非常清晰明確，而牛舍清潔機(jī)器人的環(huán)境區(qū)域與區(qū)域中障礙物種類均是不確定的。因此，需要通過對清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)與自主智能控制算法的設(shè)計，使得清潔機(jī)器人有更合適的行駛路徑，并基于相關(guān)避障策略實(shí)現(xiàn)全方位清掃，從而更加高效、自主地完成牛舍清掃工作任務(wù)。

1 清潔機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

在牛舍清潔機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，需要考慮清潔機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能。目前，市場上常見的移動機(jī)器人分為履帶式、步行式與輪式3種：履帶式移動機(jī)器人常用在室外，其越過障礙物的能力較強(qiáng)；步行式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制難度大，常用在比較復(fù)雜的場合；輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動控制難度較小，常用在地面相對不復(fù)雜的場所，且輪式機(jī)器人分為兩輪、三輪、四輪與六輪的移動機(jī)器人[2]。

本設(shè)計中的牛舍清潔機(jī)器人為兩輪式清潔機(jī)器人，主要針對室內(nèi)牛舍地面清糞工作，如圖1所示。

圖1 清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖1中，左右輪為驅(qū)動輪，通過差動的驅(qū)動方式驅(qū)動清潔機(jī)器人的兩個直流無刷電動機(jī)，電機(jī)通過左右鏈條分別帶動左右兩大輪的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人的移動。實(shí)際的牛舍地面環(huán)境中也有比較復(fù)雜的區(qū)域，清潔機(jī)器人的工作目的就是將所有(包括角落)的地方打掃干凈。

2 清潔機(jī)器人機(jī)身的尺寸

本設(shè)計清潔機(jī)器人高為575mm，刮糞板直徑為860mm，機(jī)器長度為1 362mm，機(jī)器寬度為860mm，傳感環(huán)距離地面的高度為102mm，兩驅(qū)動輪放置在底盤的軸線上。由于機(jī)器人高度為 110mm，牛舍中清潔機(jī)器人相對低矮的環(huán)境都能繼續(xù)行駛，在驅(qū)動輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計時高度不能超過清潔機(jī)器人的高度。圖2所示為清潔機(jī)器人外形尺寸圖。

A.刮糞板直徑860mm B.機(jī)器長度1 362mm C.傳感環(huán)高度102mm D.機(jī)器高度575mm E.機(jī)器寬度860mm圖2 清潔機(jī)器人尺寸

3 電機(jī)和電池選型

3.1 電機(jī)選型

對于清潔機(jī)器人的驅(qū)動控制，最關(guān)鍵的是選擇合適的電動機(jī)，確定驅(qū)動電動機(jī)所需要的最小驅(qū)動功率，從而進(jìn)行電機(jī)的選型。清潔機(jī)器人的電機(jī)功率太小，清潔機(jī)器人驅(qū)動不起來；清潔機(jī)器人的電機(jī)功率太大，則電動機(jī)的質(zhì)量與體積也會跟著變大，不利于清潔機(jī)器人的便捷性清潔運(yùn)動。本次設(shè)計的清潔機(jī)器人載有水箱，本身所承載的剩余質(zhì)量已經(jīng)不多，因此會導(dǎo)致設(shè)計無效的后果。所以，選擇功率合適的電動機(jī)對清潔機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。

電動機(jī)分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種類型，驅(qū)動方式的不同則是直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的主要區(qū)別所在。直流電動機(jī)移動方式是連續(xù)的，并以模擬控制的方式進(jìn)行相應(yīng)的驅(qū)動；步進(jìn)電動機(jī)的移動方式是分段進(jìn)行的，或者說是以步階的方式進(jìn)行，采用直接控制方式，步階位置是電機(jī)控制的變量。針對直流電機(jī)而言，電壓是直流電機(jī)的控制變量，速度和位置是直流電動機(jī)的命令變量，直流電動機(jī)對其控制系統(tǒng)會有一個信息反饋，從而控制電機(jī)位置。雖然直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)上非常復(fù)雜，但是它調(diào)節(jié)非常方便，使用的范圍廣泛，性能良好。電機(jī)還可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，其中直流有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度很高，損耗很大，壽命短，工作1 000h后需要更換電機(jī)的電刷，且安裝減速的齒輪難度很大，存在壽命短、故障的發(fā)生率高等問題，缺點(diǎn)較直流無刷電動機(jī)多很多。因此，本設(shè)計采用了一款直流無刷電動機(jī)作為機(jī)器人行走的驅(qū)動電機(jī)。

該款電機(jī)的型號為SMP6224，實(shí)物圖如圖3所示。對比前面機(jī)械部分提到的對應(yīng)功能參數(shù)，該款電機(jī)完全可以對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。

圖3 直流無刷電動機(jī)實(shí)物圖

3.2 電池選型

在清潔機(jī)器人硬件設(shè)計中，重中之重是電池的選擇。針對牛舍清潔機(jī)器人而言，機(jī)身安裝有左右兩個驅(qū)動電機(jī)，為了軟化糞便，需要進(jìn)行噴水清掃工作。由于機(jī)身中間安裝有水箱，兩者需要同時進(jìn)行工作，所以在選擇電池的時需綜合考慮電的容量及機(jī)器人的體積等因素。本設(shè)計采用了奧鐵馬卷積電池中的黃頂31，額定容量75AH。

筆者所選擇的電池均符合以下條件：首先，自放電率很低，電量保存時間長，最大可保存電量能夠?qū)崿F(xiàn)兩年都不用充電；其次，該電池沒電時充電的速度極快，40min電池的電量可以達(dá)到90%～95%，且放電效率顯著，一般可以達(dá)到18C左右；再者，對于牛舍的清潔機(jī)器人，室內(nèi)溫度高，考慮到電池的適用溫度范圍，選用的電池適用溫度在-55～75℃之間，完全符合其溫度范圍；最后，對于電池的使用壽命來說，筆者選用的電池壽命很長，是一般普通電池的3倍左右。電池實(shí)物如圖4所示。

圖4 電池實(shí)物圖

3.3 控制器的選型

選用的控制器為STM32F103VET6控制器。在內(nèi)核方面，工作頻率最大為72MHz，CPU為ARM32位；在存儲器方面，屬于片上集成的Flash存儲器，存儲容量為32～512kB，SRAM存儲器存儲容量為6～64kB。針對該控制器的復(fù)位電路、時鐘信號的電源方面，其供電電源是2～3.6V，內(nèi)部RC振蕩電路為40kHZ，主要用在CPU時鐘的PLL上，POR、PDR與PVD的晶振為4～16MHz。針對其低功耗特點(diǎn)，將其分為待機(jī)、休眠與停止3個部分。在調(diào)用模式上，主要是對SWD與JTAG接口進(jìn)行串行調(diào)試，并對ADC、DAC、SPI、IIC和UART等定時器外設(shè)進(jìn)行相應(yīng)支持。它有兩個12位的AD轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有16個通道，且測量的范圍是0～3.6V；該控制器的片上裝有一個溫度傳感器和12位的D/A轉(zhuǎn)換器，且有兩個通道，112個I/O端口。不同控制器擁有的I/O端口數(shù)量不一樣，分為26、37、51、80、112個I/O口的控制器，所有的端口都可以映射外部中斷向量，且有16個。根據(jù)控制器類型的不同，選用的控制器有13個通信接口：5個USART接口； 2個IIC接口，分別為SMBUS與PMBUS； 3個SPI接口，均為18mbit/s；1個CAN接口；1個USB全速接口；1個SDIO接口；封裝形式為ECOPACK[3]。

如上所述，STM32F103VET6擁有豐富的外設(shè)配置，功能非常強(qiáng)大，能夠滿足本設(shè)計的要求。其主控PCB板如圖5所示。

圖5 PCB板

4 驅(qū)動模塊設(shè)計—行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路

行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)采用的是直流無刷電動機(jī)，環(huán)境適應(yīng)性高。DSP2812 芯片可以直接輸出控制信號，但 DSP 自身輸出的 PWM 波的功率較小，必須通過驅(qū)動電路才能驅(qū)動行走電機(jī)。本系統(tǒng)采用 L298P 芯片進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動行走電機(jī)。L298P 驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 L298P 驅(qū)動電路示意圖

5 清潔機(jī)器人避障系統(tǒng)對障礙物分類識別

為了使清潔機(jī)器人更好地避開障礙物，從而安全行駛，可以根據(jù)清潔機(jī)器人的避障系統(tǒng)來識別障礙物類型，采用相應(yīng)的避障策略避開障礙物。同時，對整個牛舍進(jìn)行全局的路徑規(guī)劃，使得清潔機(jī)器人能夠全方位地進(jìn)行牛舍清掃工作。清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋的避障系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 清潔機(jī)器人全區(qū)域覆蓋的避障系統(tǒng)

由圖7可知：牛舍清潔機(jī)器人避障系統(tǒng)能夠進(jìn)行障礙物的分類識別，驅(qū)動控制機(jī)構(gòu)可進(jìn)行相應(yīng)驅(qū)動控制，采取迂回式等避障策略使得清潔機(jī)器人能夠更安全地進(jìn)行牛舍全區(qū)域的清掃工作。因此，為了更準(zhǔn)確地對各類障礙物進(jìn)行分類識別，需要在牛舍清潔機(jī)器人機(jī)身內(nèi)部安裝多個傳感器，對清潔機(jī)器人所需要的相關(guān)信息進(jìn)行相應(yīng)融合與處理，再進(jìn)行反饋，從而得知障礙物類別；最后，進(jìn)行相應(yīng)避障策略的實(shí)施。

在牛舍清潔機(jī)器人對遇到的障礙物信息進(jìn)行處理過程中，運(yùn)用產(chǎn)生式規(guī)則的方法，可以實(shí)時地對所遇到的障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)識別。產(chǎn)生式規(guī)則法通過用相應(yīng)符號來表示目標(biāo)特點(diǎn)或特征。簡單來說，在邏輯推理的過程中，兩個或者多個規(guī)則變成一個規(guī)則時，這個過程就叫作融合的過程。該融合信息的方式簡單，適合清潔機(jī)器人的傳感器融合技術(shù)。

牛舍清潔機(jī)器人在牛舍清掃工作過程中，需要對其所遇到的障礙物進(jìn)行安全躲避，所需要的障礙物信息應(yīng)該分布在清潔機(jī)器人機(jī)身左邊、中間與右邊方向上的紅外線傳感器，以及清潔機(jī)器人正前方碰撞塊的信號，從而得出障礙物與清潔機(jī)器人的相對位置及障礙物是否已經(jīng)被牛舍清潔機(jī)器人所碰撞到，最終根據(jù)這些信息控制清潔機(jī)器人的下一步運(yùn)動方向。構(gòu)建的清潔機(jī)器人障礙物產(chǎn)生式規(guī)則庫如表1所示。清潔機(jī)器人內(nèi)部的紅外線傳感器與碰撞開關(guān)所收集到的信息是前提條件，對其信息融合后判斷出的障礙物類別并采取相應(yīng)的避障策略是其結(jié)論，最終得出障礙物產(chǎn)生式規(guī)則庫，清潔機(jī)器人則可以根據(jù)規(guī)則庫采取避障策略進(jìn)行安全避障行駛。

表1中：H左表示清潔機(jī)器人左邊的紅外傳感器，H中表示機(jī)身中間的紅外傳感器，H右表示機(jī)身右邊的紅外傳感器；P左表示機(jī)身前左方向的碰撞塊，P右表示機(jī)身前右方向的碰撞塊；“1”表示紅外線傳感器產(chǎn)生反饋信號，“0”表示紅外線傳感器并沒有反饋信號；“√”表示碰撞塊傳感器產(chǎn)生反饋信號，“×”表示碰撞塊傳感器沒有反饋信號。

表1中，若牛舍清潔機(jī)器人第1次檢測到障礙物時，清潔機(jī)器人內(nèi)部傳感器的狀態(tài)為左邊、中間、右邊3個紅外線信號都有信號反饋，機(jī)身前方兩個碰撞傳感器均無信號；當(dāng)清潔機(jī)器人檢測到該障礙物另一邊時，傳感器的狀態(tài)是左邊與中間紅外線傳感器有信號，而右側(cè)紅外線傳感器無信號，機(jī)身前方碰撞傳感器依舊無信號，可以參照表1的規(guī)則庫得知該檢測到的障礙物在清潔機(jī)器人前方左側(cè)靠墻，并按照路徑規(guī)劃中的相應(yīng)避障策略進(jìn)行避障安全行駛[4]。

通過使用產(chǎn)生式規(guī)則的方法，在清潔機(jī)器人機(jī)身上安裝多個傳感器對所有障礙物信息進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)時、準(zhǔn)確地判斷障礙物的類別。產(chǎn)生式規(guī)則法是通過用相應(yīng)符號來表示目標(biāo)特點(diǎn)或特征，如果在相同的邏輯推理過程中兩個或者多個規(guī)則形成一個規(guī)則時，說明其產(chǎn)生了融合，該融合信息的方式簡單，適合清潔機(jī)器人的傳感器融合技術(shù)。

表1 產(chǎn)生式規(guī)則庫

6 迂回式避障策略

迂回式避障是清潔機(jī)器人全區(qū)域覆蓋避障的基礎(chǔ)。由于在實(shí)際牛舍清掃過程中沒有任何障礙物，所以迂回式避障策略就是控制牛舍清潔機(jī)器人在牛舍內(nèi)做直線往返運(yùn)動，只是避免碰撞到墻壁或者牛欄等障礙物邊界即可。清潔機(jī)器人的直線運(yùn)動包括兩種：一種是直線前行，清潔機(jī)器人的運(yùn)動軌跡寬度即為清潔機(jī)器人的機(jī)身直徑；另一種是遇到障礙物即墻或者牛欄的繞轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)遇到墻或者牛欄等障礙物邊界時繞轉(zhuǎn)運(yùn)動軌跡，即為清潔機(jī)器人機(jī)身直徑的半圓弧。牛舍清潔機(jī)器人進(jìn)行迂回式避障的過程如圖8 所示。假設(shè)避障前運(yùn)動方向由右向左，進(jìn)行直線運(yùn)動，當(dāng)清潔機(jī)器人前方的墻或者牛欄等障礙物邊界距離清潔機(jī)器人只有500mm時，機(jī)身內(nèi)部的紅外線傳感器即能檢測到障礙物，驅(qū)動控制系統(tǒng)就會控制清潔機(jī)器人進(jìn)行180°繞轉(zhuǎn)動作；然后，清潔機(jī)器人繼續(xù)進(jìn)行直線運(yùn)動，此刻的運(yùn)動方向與之前的運(yùn)動方向正相反。清潔機(jī)器人迂回式避障實(shí)際效果圖如圖9所示。

圖8 迂回式避障

圖9 清潔機(jī)器人迂回式避障實(shí)際效果圖

清潔機(jī)器人在實(shí)際牛舍運(yùn)行中，針對迂回式避障策略，需要做到清潔機(jī)器人在遇到墻或者牛欄障礙物邊界時繞轉(zhuǎn)后的行駛方向應(yīng)與避障之前的方向完全相反，且避障前后的行駛路徑應(yīng)處于平行直線狀態(tài)。假設(shè)牛舍清潔機(jī)器人在進(jìn)行繞轉(zhuǎn)行駛時的位置o′坐標(biāo)是(x0,y0,θ0)，行駛n個采樣周期以后，牛舍清潔機(jī)器人的位置o′ 坐標(biāo)變?yōu)?xn,yn,θn)，最后當(dāng)(1)、(2)兩式成立時表示繞轉(zhuǎn)行駛結(jié)束，繼續(xù)直線行駛，以此進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，則

θ0-θn=180°

(1)

(2)

7 靠墻或者牛欄障礙物的避障策略

假設(shè)牛舍清潔機(jī)器人第1次檢測到靠墻或者牛欄障礙物邊界時清潔機(jī)器人機(jī)身位置o′為(x1,y1,0°)，一旦遇到障礙物，則會先采用迂回式避障策略；當(dāng)牛舍清潔機(jī)器人到達(dá)障礙物另一個邊界時，能夠根據(jù)障礙物類型識別規(guī)則得出其障礙物是否為靠墻障礙物，迂回式避障策略被取消，沿墻或牛欄的障礙物避障策略被采用，并沿著障礙物另一邊行駛到清潔機(jī)器人位置o′的x值為x1時停止沿邊行走；沿墻或牛欄行駛結(jié)束后，此時清潔機(jī)器人需要進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)直至θ值為0°，然后繼續(xù)以直線行駛。假設(shè)牛舍清潔機(jī)器人第1次檢測到靠墻或者牛欄障礙物邊界時清潔機(jī)器人機(jī)身位置o′為(x1,y1,180°)，沿墻或牛欄行駛結(jié)束后θ值為 180°，進(jìn)而繼續(xù)直線前行[5]。清潔機(jī)器人靠墻或牛欄障礙避障軌跡如圖10所示。

圖10 靠墻障礙避讓軌跡

8 結(jié)論

首先對清潔機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)與外形進(jìn)行設(shè)計，并對清潔機(jī)器人的相關(guān)設(shè)備(如電機(jī)、電源等)進(jìn)行選型，清潔機(jī)器人通過對各障礙物進(jìn)行分類識別，提出了基于迂回式路徑規(guī)劃算法和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略。按照設(shè)計的算法，清潔機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋的要求，包括牛舍各個角落的全方位清掃工作。實(shí)驗(yàn)證明，該避障策略對清潔機(jī)器人更好地避障有著很重要的作用。

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ID:1003-188X(2018)02-0070-EA

Design and Research of Automatic Barn Cleaner Path Planning

Yao Lihui1, Cai Xiaohua2, Tian Lei1, Hou Yuntao2

(1.Heilongjiang Bayi Agriculture university, Daqing 163319, China; 2.Scientific Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081, China)

Abstract： This article is mainly to the barn to the structure of the cleaning robot and obstacle avoidance design, analysis and research for cleaning robot in the process of cleaning task encountered obstacles, as well as the path for the whole problem, to clean the robot’s motion mechanism and shape structure is analyzed. And the cleaning robot is the important equipment such as selection of motor, battery, the controller and so on. Through the study of the classification of obstacle. And combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles, and combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles such as obstacle avoidance strategy. Achieve the full range of cleaning robot for the barn cleaning work. Experiments prove that the indirect type obstacle avoidance strategy based on obstacle classification design and relies on a wall or obstacle avoidance strategy design, kraal obstacle in cleaning robot plays a key role in the development process.

oxtall; cleaner; obstacle avoidance strategy; obstacle classification

2016-11-30

“十二五”國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2014BAD08B10)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(2011150011)

堯李慧( 1993-)，女，安徽滁州人，碩士研究生，( E-mail)1834386316@qq.com。

蔡曉華( 1968-)，男，哈爾濱人，研究員級高級工程師，( E-mail)12369757@qq.com。

S817.3

A

1003-188X(2018)02-0070-05