隧道反光環(huán)清洗機器人的設(shè)計與實驗研究

沈玉頻，李玉寒，首照宇，趙暉

(1.貴州省公路開發(fā)有限責任公司黔南營運管理中心，貴州黔南 558000；2.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西桂林 541004；3.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西桂林 541004)

0 前言

近年來，隧道反光環(huán)作為降低隧道照明用電量及誘導駕駛員行車效果的有效措施，已在長隧道及特長隧道中廣泛應用[1-2]。隧道反光環(huán)安裝于隧道內(nèi)輪廓，通常由鋁板或不銹鋼板制成，迎向行車方向上粘貼高性能白色或黃色反光條，其工作原理為：隧道反光環(huán)接收到進入車輛的燈光后，利用其反光條將光線逆反射產(chǎn)生照亮隧道的光線，最終在隧道內(nèi)顯示為一個半圓的拱形光圈[3]。根據(jù)貴州、廣西等省(區(qū))的實驗可知，通過在隧道內(nèi)部設(shè)置反光環(huán)，隧道內(nèi)的行車誘導效果得到較大改善，產(chǎn)生了良好的安全效益及經(jīng)濟效益[4]。

在隧道中設(shè)置反光環(huán)，雖然可以誘導車輛行駛、改善隧道的安全行駛環(huán)境、節(jié)省隧道的照明用電量，但是在長時間使用過程中，灰塵等細小顆粒的覆蓋導致反光環(huán)反光效果下降甚至不反光，因此需要定期對反光環(huán)進行清洗。目前清洗反光環(huán)時只能將車道封鎖，人工乘坐升降車清洗，導致清洗效果差、效率低、成本高，加劇了隧道內(nèi)的安全隱患。隧道反光環(huán)清洗困難的問題鮮有深入研究，一直未得到有效解決。本文作者設(shè)計了一種隧道反光環(huán)清洗機器人，該機器人集自主行走和自動清洗功能于一體，在保證隧道車輛正常通行的情況下，只需將機器人安裝于反光環(huán)底部，機器人可自主沿反光環(huán)行走，實現(xiàn)對隧道反光環(huán)的自動清洗，具有清洗效果好、效率高的優(yōu)點，可以大大降低反光環(huán)的運行維護成本。

1 總體設(shè)計

隧道反光環(huán)清洗機器人是一個集機械、電子、控制于一體的系統(tǒng)，由3個部分與9個模塊組成，如圖1所示。3個部分是指機械部分、控制部分和傳感部分；9個模塊是機械部分的主框架、行走機構(gòu)、清洗機構(gòu)，控制部分的傳感響應模塊、驅(qū)動模塊、遙控模塊和電源模塊，傳感部分的終點檢測器和邊緣檢測器。

圖1 隧道反光環(huán)清洗機器人組成

2 機械部分設(shè)計

2.1 主框架部分設(shè)計

經(jīng)過隧道實地考察了解到，隧道弧頂位置設(shè)有燈具線槽，線槽和反光環(huán)遠離墻壁一側(cè)之間的距離最近只有5 cm，如圖2所示，這就要求機器人的主框架側(cè)邊必須足夠狹窄，才能順利通過該位置，因此，此機器人采用Π形主框架結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖2 隧道反光環(huán)真實安裝情況

圖3 Π形主框架結(jié)構(gòu)

該Π形主框架結(jié)構(gòu)包括主板、側(cè)板以及板上加強筋等，采用鋼板拼焊而成。Π形機架結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度高、側(cè)板薄等優(yōu)點，使得該機器人在使用時能夠較好地夾緊反光環(huán)并穩(wěn)定行走，且能夠順利通過燈具線槽與反光環(huán)之間狹窄縫隙。

2.2 行走機構(gòu)設(shè)計

隧道反光環(huán)是由一塊塊反光板拼接安裝形成，每塊反光板均是通過兩塊直角鋁板固定在隧道的墻壁上，直角鋁板和反光板通過8個鉚釘連接，因此直角鋁板的厚度和鉚釘?shù)耐蛊鹁驮斐煞垂獍灞趁鏁? mm左右的厚度增加，如圖4所示。

圖4 反光環(huán)安裝鉚釘

為了使該機器人能始終緊緊貼合在反光環(huán)上，隧道反光環(huán)清洗機器人的行走機構(gòu)采用輪式爬行機構(gòu)[5-6]。該行走機構(gòu)主要由驅(qū)動電機、主同步輪、從同步輪、同步帶、塊狀底紋橡膠輪組成，如圖5所示。不僅使用了塊狀底紋橡膠輪，并設(shè)計了彈簧越障裝置，以保證橡膠輪對反光環(huán)的夾緊力，使得該機器人能夠順利通過反光環(huán)上凸起的鉚釘、階梯狀反光環(huán)等障礙。

圖5 行走機構(gòu)

2.3 清洗機構(gòu)設(shè)計

隧道反光環(huán)清潔機器人的清洗裝置包括旋轉(zhuǎn)圓盤清洗刷和下壓式彈性清洗刷兩部分。旋轉(zhuǎn)圓盤清洗刷由驅(qū)動電機(帶電機架)、舵盤、圓盤刷組成，如圖6所示。該機器人在反光環(huán)上工作時，圓盤清洗刷由驅(qū)動電機驅(qū)動對反光環(huán)進行清潔，同時旋轉(zhuǎn)運動方式又能降低該機器人在反光環(huán)上的行走阻力。

圖6 旋轉(zhuǎn)圓盤清洗刷

由于旋轉(zhuǎn)圓盤清洗刷存在清潔死角，所以增加了下壓式彈性清洗刷以達到對死角進行有效清潔的效果。該下壓式彈性清洗刷由清洗刷支架、拉簧、清洗刷組成，如圖7所示。并且在圓盤刷和清洗刷外側(cè)邊緣都有一定的上翹弧度，使其能夠順利通過兩反光板交疊位置。為了實現(xiàn)該機器人在反光環(huán)兩端往復清洗以及加強清潔效果，在該機器人兩端均安裝了相同的清洗裝置。

圖7 下壓式彈性清洗刷

3 控制部分設(shè)計

此機器人選用STM32F103C8T6單片機為核心控制器[7]，構(gòu)成單片機控制電路，結(jié)合TB6612驅(qū)動芯片、HC-06藍牙模塊和電源電路組成控制系統(tǒng)，控制隧道反光環(huán)自動清洗機器人在反光環(huán)上自動行走，并且對反光環(huán)進行清洗，必要時刻也可以通過遙控器對其進行控制，實現(xiàn)人為的定向清洗。遙控器是由一對HC-06藍牙互聯(lián)實現(xiàn)的，在隧道中可以穩(wěn)定工作。系統(tǒng)框圖如圖8所示，其系統(tǒng)構(gòu)成穩(wěn)定，運行狀態(tài)良好，達到對隧道反光環(huán)清洗機器人的控制目的。此系統(tǒng)可廣泛應用于機器人控制領(lǐng)域，實現(xiàn)對機器人的自動控制或人工控制。

圖8 系統(tǒng)框圖

4 傳感部分設(shè)計

由于隧道反光環(huán)呈圓弧形安裝效果，為使機器人運行過程中不掉落，機器人必須沿著反光環(huán)的弧線行走。在機器人靠近反光環(huán)內(nèi)側(cè)一端，安裝前后兩組邊緣檢測傳感器，當檢測到機器人脫離反光板邊緣處時，控制機器人外側(cè)輪子轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)輪子轉(zhuǎn)速，依靠差速原理實現(xiàn)機器人向隧道內(nèi)壁方向轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)機器人沿著整個反光環(huán)的弧線路徑行走。

邊緣檢測傳感器選用微型對射NPN型光電開關(guān)。當一端的紅外線被另一端接收，傳感器返回高電平；當一端的紅外線被障礙物遮擋，傳感器返回低電平。這里的障礙物就是隧道的反光環(huán)。當機器人運行脫離反光環(huán)邊緣時，控制器會檢測到傳感器返回值，為此改變機器人的電機速度來調(diào)整機器人在反光環(huán)上的運行路線。微型對射NPN型光電開關(guān)的收發(fā)原理如圖9所示。

圖9 微型對射NPN型光電開關(guān)原理

5 基于ANSYS Workbench的主框架變形分析

此機器人能否在隧道反光環(huán)上安全穩(wěn)定地運行取決于主框架的剛度和質(zhì)量。確定了清洗系統(tǒng)主框架結(jié)構(gòu)后，利用ANSYS Workbench進行仿真分析[8]。網(wǎng)格大小為1 mm。在主框架兩側(cè)板頂端分別施加相反的拉力，拉力方向垂直于側(cè)板平面，大小為20 N。對隧道反光環(huán)清洗主框架進行如下分析：(1)板材不同厚度對框架受力變形的影響。材料統(tǒng)一為201不銹鋼，厚度分別設(shè)置1、1.5、2、2.5、3 mm，不同厚度總變形位移云圖如圖10所示(以1.5、2 mm為例)。

圖10 不同厚度總變形位移云圖

不同厚度的框架在受力大小、方向以及網(wǎng)格大小相同的條件下，厚度成為唯一變量。對比圖10可得出：隨著厚度增加，框架的總變形位移量在不斷減少。但是厚度增加，質(zhì)量必然隨之增加，在可接受的變形范圍內(nèi)，主框架選擇2 mm的厚度。

(2)不同材料對框架受力變形的影響。厚度統(tǒng)一為2 mm ，材料分別選擇201不銹鋼、鑄鐵、鋁合金。

分析圖11可得：201不銹鋼、QT600鑄鐵、2024鋁合金3種材料的彈性模量依次遞減，所以總變形的最大值依次增大。因此，此清洗系統(tǒng)主框架選擇2 mm厚度的201不銹鋼板加工制作。

圖11 不同材料總變形位移云圖

6 實驗樣機搭建及驗證

依據(jù)機器人各部分理論分析與仿真計算，研制一套隧道反光環(huán)清洗機器人樣機，樣機總質(zhì)量6.2 kg，分別在實驗室和貴州省都勻段高速隧道真實環(huán)境下進行了清洗實驗，如圖12所示。圖12(a)中機器人由點1向上運行至點2，又由點2向下運行至點3，往復清洗效果良好；圖12(b)中機器人由點1向上運行至點2，由點2繼續(xù)向上運行至點3，直到完成整個隧道反光環(huán)的清洗。

圖12 實驗樣機在實驗室和真實隧道環(huán)境下的測試

7 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種隧道反光環(huán)清洗機器人，該機器人以橡膠輪對稱夾緊方式行走，利用電機差速原理進行轉(zhuǎn)彎動作，實現(xiàn)了機器人在隧道反光環(huán)上進行清洗作業(yè)。

(2)介紹了機器人的機械部分、控制部分、傳感部分的設(shè)計，重點分析了機器人主框架的靜力學變形問題，并利用數(shù)值分析，得知選用201不銹鋼材料、厚度為2 mm時，主框架剛度可以滿足要求，且自重較輕。

(3)通過搭建樣機進行實驗，驗證了機器人在真實隧道環(huán)境中能夠安全可靠地行走；在實際清洗過程中，通過往復行走清洗，可以達到預期清洗效果。該分析結(jié)果為隧道反光環(huán)清洗機器人的設(shè)計和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。