基于SLAM的柏油馬路智能清掃機(jī)器人

王勇祺 呂茵 董宇 宋曉霖 李巖松

摘要：路面養(yǎng)護(hù)機(jī)械化程度的高低，是一個(gè)城市現(xiàn)代程度和綜合實(shí)力強(qiáng)弱的重要標(biāo)志之一。針對(duì)國(guó)內(nèi)的環(huán)衛(wèi)清潔現(xiàn)狀， 本團(tuán)隊(duì)研究出一種柏油馬路智能清掃機(jī)器人，主要解決道路的清潔問(wèn)題以及如何能擺脫人力的局限性，通過(guò)ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)視覺SLAM和雷達(dá)SLAM技術(shù)完成機(jī)器人對(duì)道路模擬地圖的構(gòu)建，從而自動(dòng)完成對(duì)清掃機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題，使機(jī)器人可以自主的規(guī)劃路徑對(duì)道路進(jìn)行全方位清理。

關(guān)鍵詞：路面養(yǎng)護(hù);城市環(huán)保;智能型清掃;自主規(guī)劃路徑

1? 研究背景

城鎮(zhèn)化率提升帶來(lái)道路清掃保潔面積高速增長(zhǎng)。隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，我國(guó)城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步提升，同時(shí)人民對(duì)于保潔衛(wèi)生的需求也不斷增大。全國(guó)城市道路清掃面積數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，城市道路清掃保潔面積從2006年的32.48億平方米增長(zhǎng)到2018年的111.18億平方米，復(fù)合增長(zhǎng)率約為9.42%。預(yù)計(jì)隨著城鎮(zhèn)化率的提升，未來(lái)五年城市清掃保潔面積增速繼續(xù)保持在5%左右，道路清掃刻不容緩。

2? 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

本產(chǎn)品主要目的是設(shè)計(jì)一款針對(duì)道路清掃的機(jī)器人，對(duì)道路進(jìn)行高效清掃，達(dá)到維護(hù)路面整潔的功能。該機(jī)器人可以自主清掃路面，不需要人工的干預(yù)，通過(guò)獲取道路、車輛位置和障礙物信息，可以應(yīng)對(duì)多種突發(fā)情況并進(jìn)行有效避障。通過(guò)使用STM32單片機(jī)作為中心控制系統(tǒng)，利用串口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)間的傳遞。利用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)雷達(dá)SLAM和視覺SLAM感知完成對(duì)道路虛擬三維地圖的構(gòu)建，并將構(gòu)建的虛擬地圖顯示在系統(tǒng)終端，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理將圖像顯示在PC上位機(jī)中，該機(jī)器人可以進(jìn)行智能型清掃，自主規(guī)劃路線進(jìn)行清掃，當(dāng)清掃完成后自主回到停放區(qū)域。

2.2 研究方法

2.2.1 STM32控制系統(tǒng)

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一款針對(duì)城市柏油馬路的智能清掃機(jī)器人。利用STM32單片機(jī)作為控制中心，結(jié)合清掃系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，三維場(chǎng)景模擬系統(tǒng)對(duì)城市路面情況復(fù)雜的柏油馬路，進(jìn)行高效清掃，高效節(jié)能，維護(hù)城市道路的整潔。同時(shí)利用車載傳感器來(lái)感知車輛周圍環(huán)境通過(guò)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使安全、可靠地道路上行駛。

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

Ros機(jī)器人操作系統(tǒng)（圖3、圖4）。

通過(guò)ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)視覺SLAM和雷達(dá)SLAM技術(shù)完成機(jī)器人對(duì)道路地模擬地圖的構(gòu)建，從而自動(dòng)完成清掃機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)算法分析進(jìn)行路徑規(guī)范，精準(zhǔn)避障，自主導(dǎo)航等功能，使機(jī)器人可以自動(dòng)地規(guī)劃路徑，實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航，順利變道、精準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎，從而對(duì)道路進(jìn)行全方位清理。

2.2.3 整體結(jié)構(gòu)概述

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖5、圖6）。

該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由多過(guò)濾式螺旋離心吸塵系統(tǒng)、一體式單電機(jī)多傳動(dòng)系統(tǒng)、單自由度鏈條清掃器、多級(jí)式泵水系統(tǒng)、萬(wàn)向蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、后部螺旋垃圾收集器、多通道高壓噴霧系統(tǒng)、行進(jìn)輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、底部單滾刷活動(dòng)式吸塵器等構(gòu)成。該產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)主要針對(duì)與道路這類特殊材質(zhì)地形的清掃，極大地提高了清掃效率及清掃效果。

3? 創(chuàng)新特色

①智能取代人工，省時(shí)省力。利用ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)的路徑規(guī)劃和模擬地圖構(gòu)建技術(shù)，取代傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人工清掃，實(shí)現(xiàn)了智能型機(jī)器人的功能，也極大地方便了人們的生活以及工作效率。

②功能創(chuàng)新，運(yùn)動(dòng)清掃一體化，自主導(dǎo)航。利用機(jī)器視覺的圖像處理及三維場(chǎng)地恢復(fù)技術(shù)結(jié)合雷達(dá)SLAM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)整個(gè)的道路場(chǎng)景的分析，規(guī)劃出最優(yōu)的路線對(duì)道路進(jìn)行清掃。

4? 應(yīng)用前景（結(jié)語(yǔ)）

隨著城市道路的不斷擴(kuò)展，城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，人流車流的增大，道路垃圾越來(lái)越多、出現(xiàn)的頻率越來(lái)越快。道路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，道路垃圾不僅影響道路的路容路貌，不利于環(huán)保，且增加了養(yǎng)護(hù)職工的工作難度，更給道路安全通行埋下了重大隱患。本團(tuán)隊(duì)研究出的道路清掃機(jī)器人作業(yè)方便，清掃效率高，除塵效果好并且作為環(huán)衛(wèi)設(shè)備之一，可廣泛利用于干線公路，市政以及機(jī)場(chǎng)道面等道路清掃，未來(lái)前景良好。

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