基于單片機(jī)對(duì)道路護(hù)欄全自動(dòng)清理機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝運(yùn)佳 孫佳豪

一、研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀

隨著城市環(huán)境要求的不斷提高，馬路上護(hù)欄的清理也被重視起來，相關(guān)管理規(guī)定一周清洗一次，遇旅游旺季和重大活動(dòng)、節(jié)假日，護(hù)欄要隨時(shí)保持清潔，不具備車洗條件的道路護(hù)欄，采取人工作業(yè)。而現(xiàn)在主要是兩種清理方式，一種是人為清理，對(duì)清理人員的安全有很大的危險(xiǎn)，而且在一些活動(dòng)節(jié)假日更要保持護(hù)欄的清潔，所以更是加大了人為清理的安全隱患;二是通過護(hù)欄清洗車清理，在一些節(jié)假活動(dòng)日，道路上的車流量加大，容易影響車輛的行駛，而且是相對(duì)于較窄的馬路，容易造成車輛堵塞，并且浪費(fèi)水資源，所以我們想通過一個(gè)護(hù)欄智能清理系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。

200米護(hù)欄清理比較：

一個(gè)小型城市（34000平方米）的護(hù)欄清理比較：

通過以上數(shù)據(jù)可以得出：

（1）本產(chǎn)品大大減少了人工清理和護(hù)欄車清理所需要的人數(shù)。

（2）減少了人工清理所需要的時(shí)間。

（3）相較于人工清理和護(hù)欄車清理的耗水量，本產(chǎn)品可以循環(huán)利用水，大大減少了水的消耗。

1.2 發(fā)展前景

在人工智能的時(shí)代，智能化的產(chǎn)品逐步運(yùn)用于各種行業(yè)。新的智能產(chǎn)品不斷問世，不僅方便了人們的生活，更加體現(xiàn)了一個(gè)國家的科技水平和綜合國力。將智能與節(jié)能環(huán)保相結(jié)合，與未來社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)完全相符，既促進(jìn)了節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展還推進(jìn)了智能產(chǎn)品的進(jìn)程。智能護(hù)欄清洗裝置，對(duì)一個(gè)城市的美化起到了不可預(yù)估的作用。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STM32F103單片機(jī)芯片作為核心，采用柔性太陽能板為系統(tǒng)供電，PC陽光板用于外界隔熱，擋雨。采用激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝置在護(hù)欄上的自動(dòng)導(dǎo)航行駛。采用紅外遙控裝置，通過按鍵控制裝置在道路上的各種轉(zhuǎn)向行駛。利用68ktyz同步電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并且運(yùn)用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。采用大型儲(chǔ)水箱為護(hù)欄清理提供水源，高壓噴水裝置為清洗工作噴水。

2.1 設(shè)計(jì)思路：

該產(chǎn)品首先由激光雷達(dá)判斷是否有護(hù)欄并將判斷結(jié)果發(fā)送至單片機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)有護(hù)欄時(shí)位于機(jī)器靠前部位的高壓噴水系統(tǒng)從儲(chǔ)水箱中吸取水并將水噴至護(hù)欄上，由超聲波模塊檢測(cè)護(hù)欄與清潔裝置的距離并自動(dòng)調(diào)距，由于護(hù)欄與清潔裝置緊密接觸，通過裝置向前行走清潔裝置對(duì)護(hù)欄進(jìn)行擠壓式的清洗。噴水裝置所滲出的污水則沿著護(hù)欄及洗車棉與機(jī)器之間的鐵板流至位于機(jī)器底部的污水接收裝置，此裝置中的污水通過小型水泵壓至反復(fù)過濾裝置中進(jìn)行過濾，過濾完成后再將水放流至儲(chǔ)水箱中從而實(shí)現(xiàn)水的重復(fù)利用。

2.2 系統(tǒng)總體框圖：

本產(chǎn)品的工作過程為：開啟設(shè)備，激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，護(hù)欄清潔設(shè)備不在護(hù)欄的盡頭，然后超聲波模塊進(jìn)行檢測(cè)，將清潔裝置向護(hù)欄延申，通過超聲波模塊反饋的數(shù)據(jù)，確定好清潔裝置的位置，護(hù)欄清潔裝置開始移動(dòng)，同時(shí)噴水裝置開始噴水，清潔裝置，除水系統(tǒng)也開始運(yùn)作，當(dāng)激光雷達(dá)檢測(cè)到到達(dá)護(hù)欄盡頭時(shí)，停止運(yùn)作，水量檢測(cè)裝置顯示剩余水量，如果水量過低，觸發(fā)水量警告裝置。本實(shí)用新型操作簡(jiǎn)便，效率高。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)施

3.1 激光雷達(dá)系統(tǒng)

本產(chǎn)品的激光雷達(dá)裝置用于檢測(cè)本產(chǎn)品與護(hù)欄盡頭的距離，它是由激光測(cè)距系統(tǒng)和集光定位系統(tǒng)兩部分組成，集光定位系統(tǒng)用于調(diào)整探頭的方向。探頭特點(diǎn)：探測(cè)距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，不受晝夜光線影響。測(cè)量范圍0.03-100米，測(cè)量精度±1mm，測(cè)量時(shí)間：0.3-3秒，通過串口接到STM32F103單片機(jī)上。提供電壓：3.3V（2.8-3.2V）。

3.2 報(bào)警硬件電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器用于聲音報(bào)警，三極管8050的作用是將信號(hào)放大，以提高蜂鳴器的報(bào)警聲音。發(fā)光二極管分為“紅”，“黃”，“綠”三種顏色。當(dāng)發(fā)光二極管的綠燈亮，蜂鳴器不發(fā)聲;當(dāng)發(fā)光二極管的黃燈亮，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出“滴”聲：當(dāng)發(fā)光二極管的紅燈亮，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出“滴滴滴”聲。

3.3 STM32F103單片機(jī)控制系統(tǒng)

STM32F103單片機(jī)控制系統(tǒng)使用高性能的ARMCortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHZ，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM）。該單片機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)裝置的核心控制模塊。它用于接收水量，距離等信息。并通過安全距離和水量的計(jì)算公式，將具體做法方式傳輸?shù)礁鱾€(gè)控制模塊，從而達(dá)到整個(gè)裝置的正常運(yùn)行。

四、軟件部分

程序的運(yùn)行過程如下圖所示：人工通過按下按鈕開啟設(shè)備后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，完成后進(jìn)行水量的數(shù)據(jù)采集，當(dāng)水量小于標(biāo)準(zhǔn)水量（V=abh/5--a，b分別為底面的長(zhǎng)和寬，h為儲(chǔ)水箱的高度），水量檢測(cè)裝置將現(xiàn)有水量返回至單片機(jī)，通過LCD顯示模塊，將現(xiàn)有水量和須加水量顯示到顯示屏中。同時(shí)蜂鳴器也發(fā)出“滴滴滴”的聲音，提示水量不足，報(bào)警燈顯示紅色。若大于標(biāo)準(zhǔn)水量，激光雷達(dá)開始檢測(cè)是否到達(dá)護(hù)欄盡頭，并將檢測(cè)距離返回至單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)的距離檢測(cè)模塊進(jìn)行距離分析，若達(dá)到盡頭則停止運(yùn)行，并將信息顯示到顯示屏上。若沒有檢測(cè)到盡頭，超聲波系統(tǒng)開始對(duì)護(hù)欄與清潔裝置的距離開始檢測(cè)，并自動(dòng)調(diào)整距離，距離調(diào)試完成后啟動(dòng)清潔裝置，除水裝置。裝置開始正常行駛。