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電磁循跡式校園除（chú）雪機器人設計與實現

2017-8-8 來源：西安市鐵一中學，陝西西安作（zuò）者（zhě）：劉家睿

摘要：我國北方地區降雪後，學校師生通常（cháng）采用人力方式進行校園內路麵（miàn）的積雪清理。基於校園需求，結合校園內道路簡單、白天人群密集等特征（zhēng），本文設計了基於電（diàn）磁循跡的校園自動除（chú）雪（xuě）機器人。利用該裝置除雪，一方麵（miàn）可以減輕師生清除（chú）積雪負擔，另一方麵能方（fāng）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（jī）器人由電（diàn）磁傳感器通（tōng）過感應鋪設在校園道路上的電磁軌道線（xiàn）路來進行清雪工作，規避了外界環境對機器人行走路線的幹擾，使機（jī）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（dào）路傾斜和道路形成一定夾角的推雪鏟鬥將道路上的積雪推（tuī）到道路兩側，不會對校園（yuán）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（qīng）出一條安全的人行通道，從而解決大量降雪時校園內除雪（xuě）不及時和除雪時破壞校園學（xué）習環（huán）境的（de）問題。該設計可以廣泛推廣，方便出行。

一、前言

我國北方地（dì）區每年大概有 3-5 個月（yuè）的降（jiàng）雪期。為了保障大多數人雪後上班（bān）、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（huà）學（xué）藥劑等方（fāng）式清理主要道路上的積（jī）雪，而忽略諸如校園、居民小區裏的狹小路麵，積（jī）雪往往靠師生、居（jū）民自己清除。對於校園（yuán）等（děng）的狹小路麵，目前的除雪（xuě）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（néng）大、成本高（gāo）、易造（zào）成環節及路麵汙染和腐蝕而不能使用。因此研製符合校園實際（jì）的體型小巧、效率較高（gāo）、成本較低、安全性高、便於操（cāo）作的除雪裝置顯得尤（yóu）為必要。本項目所設計的“電磁循跡式校園除雪機（jī）器人”便是（shì）借鑒大型除雪裝置（zhì）機理且滿足上述要求（qiú）的除雪（xuě）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（xuě）掃雪，校園道路人流（liú）比（bǐ）較集中，下（xià）雪（xuě）後必須及時清理，清理時間最好是在上課時或放學後進行（háng）。這就要求（qiú）除雪機器人要能適用於學校道路，並且能（néng）夠及時、噪聲（shēng）小並（bìng）以環保的方式進行除雪工作。

（二）自動行駛（shǐ）功能下雪時（shí）間不固定，積雪又要及時清理，因此除雪（xuě）機器人（rén）除了要滿足在指定道路上行走外（wài），還要能夠適應各種不（bú）同的時間段，即在天亮、天黑的情況下均能運行。所以對於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（jī）器（qì）人自（zì）動（dòng）清理積雪過程中，難免會（huì）有行人經過，要避免行人和除雪機器人相互影響，機器人在（zài）行駛過程中要能夠識別前方是否（fǒu）有行人經過（guò）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（běn）項目以電機驅動的（de）雙驅智能車底盤為（wéi）平台，采用Arduino單片機開發板為機器人主控製器，利用（電磁）循跡傳感器控製機器人運行路徑，距離（超聲波）傳（chuán）感（gǎn）器（qì）判斷行人從而進行避（bì）讓，通過推雪鏟鬥的機械推雪方（fāng）式進行道路除雪工作，項目總體結構如圖1所（suǒ）示。

圖1 總體結構（gòu）圖

（一）循跡模（mó）塊

本項目選用電磁循跡，其（qí）原理簡述如下。路（lù）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（zhī），變化的電場激發變化的磁場，且磁場與電場的變化規律一（yī）致（zhì）。對於通有穩恒電流 I 長度（dù）為 L 的直導線，周圍會（huì）產生磁場，距離導線距離為（wéi） r 處 p 點的磁感應強度為

當通（tōng）電導線上方置有線圈繞成（chéng）的電感時，正弦電流會引起通（tōng）過線圈回路所圍成的磁通量Φ的（de）變化，回路中會產生感應電動勢 e，由法拉第電磁感應定（dìng）律可知，感應電動（dòng）勢大（dà）小與通過導線回（huí）路的磁通量變化率成正比，即

其（qí）中 k 為線圈麵積，由式（4）可知當線圈中感應電動勢的大小正比於（yú）電流的變化率（lǜ），反比（bǐ）於線圈中心到導線的距離。即電感離通電（diàn）導線越近，感應電動（dòng）勢就越強，反之電感離通電導（dǎo）線（xiàn）越遠，感應（yīng）電動勢就越弱。在除（chú）雪機（jī）器人（rén）中軸線前方安裝有對稱的電磁傳感器，當機器人自（zì）動行駛過程中偏離通電導線，前方的（de）電磁傳感器會產生感應（yīng）電動勢。在理想情況下（xià），通電導線正好穿過機器人的中心軸，則兩邊（biān）電磁傳感器產生大（dà）小相等、方向相同（tóng）的感應電動勢，其差值為零。如果機器人在行駛過程中偏（piān）移了方（fāng）向（xiàng），兩邊的電磁傳感器會產生電動勢差值，通過 AD 轉換器（qì）將電動勢差值轉換成數字信號由單片進行處理（lǐ），從（cóng）而調整其行駛方向。

（二）避障模塊（kuài）

避障可以使用紅外傳感器或者超聲波傳感器，同樣是（shì）為了不受室外環境（jìng）的（de）幹擾，所以本（běn）項目采（cǎi）用了超聲波傳感器。在檢測障礙（ài）時，超聲波傳感器發送（sòng）器發出40KHz 的脈衝超聲波，如除雪機（jī）器人前（qián）方遇到

障礙物時，此（cǐ）超聲波信號被障礙物反射（shè）回來，由接收器接（jiē）收，經LM318兩級放大，再經（jīng）帶有鎖相環的音頻解碼芯片 LM567 解碼，當 LM567 的輸入信號大於25m V時，輸出端由高電（diàn）平變為低電平，80C51

單片機處理。

（三）除雪裝置

經過文獻研究（jiū）發現，除雪方式分為：融雪除雪法、機械除雪法和（hé）綜（zōng）合（hé）式除（chú）雪法。除（chú）雪機器人采用（yòng）傾斜式推雪鏟鬥設計鏟鬥是（shì）由類似字母“C”形的加強鋼板構成，並對其內表（biǎo）麵進行拋（pāo）光處理，使其在傾斜一定角（jiǎo）度後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（yī）種（zhǒng）集成電路（lù）芯片，是采用超（chāo）大規模集成電路技術把具有數據處理能力（lì）的中央處理器 CPU、隨（suí）機（jī）存器RAM、隻讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中（zhōng）斷係（xì）統（tǒng）、定時器/計數（shù）器等功能集成到一塊（kuài）矽（guī）片上構（gòu）成的一個小而完（wán）善的微型計算機係統，在工業控製（zhì）領域廣泛應（yīng）用單片機模塊是整個機器人的大腦，處理（lǐ）傳（chuán）感器的各種信（xìn）息，並作出正確的（de）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（bì）障處理模（mó）塊（kuài）、驅動模塊組成。主程序流程圖（tú）如圖2所（suǒ）示。

五、電磁循跡式校園除雪機器人（rén）實現

（一）模型實現

1、機械結構。

為了加快開（kāi）發（fā）進度和降低開發難度，本項目設計（jì）過程中采用市麵上的（de）智能小車底盤作為機器人開發（fā）平台，最（zuì）終選（xuǎn）用了雙驅智能小車底（dǐ）盤。

2、硬件的選（xuǎn）型與設計。

（1）單片機。單片機選用了 Arduino 開（kāi）發板（bǎn）。Arduino 它沒（méi）有複雜的（de）單片（piàn）機底（dǐ）層（céng）代碼，沒有難（nán）懂（dǒng）的匯編，隻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（dù），可拓展性能非常（cháng）高。標準化的接口（kǒu）模（mó）式為它的（de）可持續發展奠定了堅實的基（jī）礎（chǔ）。

（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（dào）3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控製電路。

（3）電磁（cí）循跡傳感器。電（diàn）磁循（xún）跡傳感器選用了一體化四（sì）路電磁傳感器模塊，有四（sì）路模（mó）擬信號輸出，供單（dān）片機循跡使用。

（4）鏟雪裝置。本設計隻是測試功能的小（xiǎo）車模型（xíng），無法用（yòng）鋼板製作（zuò）“C”型鏟鬥，故用半弧形塑（sù）料（liào）片加支架固定在小車前（qián）方來（lái）模擬鏟鬥。

（二）程序寫入

相較於選擇硬件及組裝，自動除雪機器人程序的（de）編寫與（yǔ）調試可以算作本（běn）項目（mù）的難（nán）點。通過arduino IDE開發程序分（fèn）別編輯各模塊的控（kòng）製（zhì）代碼（mǎ），並將其寫入機器人的單片機進行調試。電磁循跡模塊控製程序。通過電（diàn）磁循跡模塊返回的4路模（mó）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（cí）軌道。實現（xiàn）小車沿軌道的行使。超（chāo）聲波（bō）測距模塊控製程序。判斷超聲波傳感器返回（huí）的據前方障礙物（wù）的距（jù）離，當距離小於5cm 時，驅動電機停止工作，當距離大於 5cm 後驅動電（diàn）機重（chóng）新開始工作，使機器人繼續前進。驅（qū）動電（diàn）機的控製程序。控製小（xiǎo）車驅動電機（jī），使之完成啟動、停止、轉完的功能。

（三）實驗驗（yàn）證

為驗證循跡式校園除雪機器（qì）人的除雪效果（guǒ），本實（shí）驗通（tōng）過設計不同的場景進行模擬。本實驗從自（zì）動行駛、障礙物（wù）躲避和除雪效果三個方麵進行對比。自動行駛部（bù）分我們通過（guò）調節室內燈光亮度模擬白天和黑夜，通過遮（zhē）擋燈光模擬（nǐ）建築物陰（yīn）影。結果顯示，采用電磁循（xún）跡方式的機器人不受光線強（qiáng）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（jì）的機器人（rén）在（zài）明暗對比強烈的場（chǎng）景下，會出（chū）現脫離軌跡方向的情況。在障礙物（wù）躲避（bì）部分，我們通過在機器人行（háng）駛軌跡上（shàng）放置障礙物來模擬經過的行人。結果表明，采用兩（liǎng）種循跡方式的機器人在行駛（shǐ）過程中遇到障礙物市都會停止行駛，在（zài）障礙物移除（行人走開）之後會（huì）繼續沿指定軌跡行駛。最後（hòu）一部分是除雪效果的檢測。我們通過在地上（shàng）鋪灑麵粉模擬（nǐ）道路積雪。結果顯示，機器人鏟雪（xuě）裝置基本可以將路麵的（de）“積雪”清推（tuī）到道路兩側，為行人清理（lǐ）出可以行走的道路。除雪效果（guǒ）明顯。

（四）實驗（yàn）總結

根據對不（bú）同場景（jǐng）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（quán）天工作；安裝（zhuāng）超聲波（bō）模塊可以（yǐ）達到躲避行人的（de）目的；鏟雪裝置可以完成基本的鏟雪任（rèn）務。

六、創新性

本電磁循跡式校園除（chú）雪機器（qì）人有著如（rú）下創新之處：第一，采用電磁尋跡，規避了外界環境對機（jī）器人行走路線的幹擾，使機器（qì）人在白天（tiān）、黑夜都可以進行工作。第二，采用超聲波進行躲避行人，保（bǎo）證了校（xiào）

園內學生的安全。第三，采（cǎi）用了機械除（chú）雪，不（bú）會對校園環境產生（shēng）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（zuò）簡單、效率較高、成本較（jiào）低（dī）等特點，為（wéi）了能自動除雪采用了電磁循跡，並且加入了避障功（gōng）能，保護了學生的安全，因此還具備安（ān）全穩定的特點。樣機（jī）實驗表明（míng），該機器人可以在校園中自動清出人行通道。該設計主要適用於校園，也可（kě）應用在公（gōng）園空地、工廠（chǎng）空地、社（shè）區、廣場（chǎng）空地等場合，使清（qīng）雪除雪更加高效，方便人們日常出行。

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