公路劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人的導(dǎo)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

1引言

公路劃線機(jī)是用來在高等級公路及城市道路上劃各種路面標(biāo)線的專用機(jī)械。在道路的養(yǎng)護(hù)過程中也用于在舊標(biāo)線上劃新標(biāo)線［1］。目前劃線機(jī)種類很多，它們分別應(yīng)用于不同的場合，但其共同的特點(diǎn)都是先通過人工標(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，專門用于提供劃線機(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距模塊，分別測量公路兩邊的公路沿到機(jī)器人的距離，通過西門子S7-200PLC軟件程序的處理后得出的信號來驅(qū)動直流電機(jī)的運(yùn)動，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)中的噴槍開始對地面噴灑涂料，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Fig.1 The diagram of control

3導(dǎo)向控制系統(tǒng)

導(dǎo)向控制系統(tǒng)基本組成：超聲波測距模塊和PLC控制單元。

超聲波測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。目前市場上出現(xiàn)的超聲波測距儀，可以稍加以改進(jìn)，也可以滿足本文要求。目前的超聲波測距儀檢測距離可達(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稱安裝一個超聲波測距模塊，左右兩個傳感器同時向兩邊發(fā)射超聲波，通過比較左右傳感器發(fā)射接收的時間差值來判斷機(jī)器人是右偏還是左偏，進(jìn)而控制驅(qū)動輪直流電機(jī)的運(yùn)動，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較短，則機(jī)器人偏向中線的右邊，那么右驅(qū)動輪比左驅(qū)動輪轉(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，控制單元將此時的超聲波傳回的數(shù)據(jù)儲存在存儲區(qū)中，以后機(jī)器人的驅(qū)動輪速度就以此時的速度勻速行進(jìn)，靠傳感器實(shí)時傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整范圍限制在一定的值域內(nèi)，超過該值域時，電機(jī)才轉(zhuǎn)動開始調(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Fig.2 The chart of program flow

4電機(jī)驅(qū)動履帶行走系統(tǒng)

機(jī)器人的移動方式有輪式、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)動平穩(wěn)、爬坡能力強(qiáng)、不易傾倒等特點(diǎn)；克服了輪式移動機(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)動性較好，但其在路面適應(yīng)能力上遠(yuǎn)不如履帶式移動方式。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，其移動方式類似坦克的行走機(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，通過履帶帶動前輪一起轉(zhuǎn)動。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實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該結(jié)構(gòu)簡單，不需要差動器，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等?？刂品奖?，轉(zhuǎn)彎半徑小，電機(jī)既可以提供前進(jìn)動力，也可以提供轉(zhuǎn)向動力［3］。

驅(qū)動輪直流電機(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壞或突然無電的情況下。

圖3履帶式移動方式結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure of moving way

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，它有兩種類型，即氣噴涂式和無氣噴涂式。氣噴涂是靠壓縮空氣將漆霧化，然后通過噴槍嘴噴涂于地面。無氣噴式劃線機(jī)是利用專用高壓泵對漆施加10～15Mpa的壓力，然后通過噴槍噴涂于地面。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)提供可以識別的標(biāo)線即可。

本文涂料噴涂系統(tǒng)采用冷塑無氣噴式，即在常溫下利用專用高壓泵和噴槍進(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，電機(jī)開始工作并使噴槍噴出涂料。本系統(tǒng)安裝在履帶式底盤后部，噴槍安在中線上，機(jī)器人行走時，噴槍對準(zhǔn)地面進(jìn)行噴漆。