基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)設(shè)計(jì)

李元勇　張坤　毛理想　張杰

摘 要：磨光機(jī)廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)、建筑工地、橋梁工程、室內(nèi)工程等場(chǎng)合。傳統(tǒng)的磨光機(jī)均需要人工操作，并且存在工作效率低、人工成本高、使用安全性較差等問(wèn)題，特別在高樓樓頂?shù)忍厥夤ぷ鲌?chǎng)合操作的便捷性和安全性極差。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上已有駕駛型磨光機(jī)，但由于其體積過(guò)于龐大，僅僅適合在打磨面積較大的水平地面之上工作，不能在高樓樓頂?shù)认鄬?duì)特殊的工作地點(diǎn)使用，而且機(jī)器的運(yùn)輸也比較麻煩，使用便捷性較差。為了解決上述現(xiàn)有磨光機(jī)存在的一系列問(wèn)題，對(duì)市場(chǎng)上使用最普遍的兩種磨光機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入分析，在相關(guān)理論研究基礎(chǔ)之上，提出并設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)方案。設(shè)計(jì)的方案能夠通過(guò)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程操控磨光機(jī)啟停及運(yùn)動(dòng)等相關(guān)工作，磨光機(jī)的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)磨光機(jī)主體四個(gè)方向上風(fēng)扇的擺動(dòng)和自身轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。磨光機(jī)頂部裝有360°方向攝像頭，可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)時(shí)向手機(jī)傳輸工作環(huán)境的視頻信息，可以在高樓樓頂或者是比較狹小的工作環(huán)境進(jìn)行磨光工作，大大的減少了因工人操作和工作環(huán)境等問(wèn)題帶來(lái)的安全隱患，具有體積小、使用便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、工作效率高以及使用范圍廣的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：磨光機(jī) 遠(yuǎn)程控制 人工智能 單片機(jī)

1 引言

近年來(lái)，磨光機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，涉獵交通、建筑等多行業(yè)。在相關(guān)行業(yè)繁重的工作負(fù)荷下，為了進(jìn)一步提高工作效率，減少工人工作負(fù)擔(dān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)企業(yè)對(duì)智能磨光機(jī)的設(shè)計(jì)研究一直不曾間斷，駕駛型磨光機(jī)早已投放國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，這種磨光機(jī)工作效率大幅提高，但因體積龐大，在高空工作時(shí)存在運(yùn)輸困難以及安全問(wèn)題，適用范圍比較局限，且生產(chǎn)成本較高。國(guó)外市場(chǎng)也曾有類似我國(guó)駕駛型磨光機(jī)的機(jī)型出現(xiàn)過(guò)，還有相關(guān)人士提出了設(shè)計(jì)全智能磨光機(jī)的想法，但迄今為止沒(méi)有投放市場(chǎng)，并且國(guó)外研究側(cè)重提高裝置工作效率，在磨光機(jī)適用范圍方面沒(méi)有過(guò)多改進(jìn)。

目前，市場(chǎng)所用磨光機(jī)大都仍需要人工來(lái)操作機(jī)器，雖有稍微改進(jìn)，但沒(méi)解決操作繁瑣、效率低下的本質(zhì)問(wèn)題，特別是高空作業(yè)用磨光機(jī)。從上述的問(wèn)題可以得知，現(xiàn)在的建筑行業(yè)、交通行業(yè)均需要一種可以代替人工操作的智能磨光機(jī)。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)。

2 現(xiàn)有磨光機(jī)技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng)手推式磨光機(jī)

手推式磨光機(jī)體積適中，現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛，但需要人工進(jìn)行操作，不僅加大了工人的工作強(qiáng)度，而且工人在操作過(guò)程中容易出現(xiàn)一些安全問(wèn)題，工作效率也比較低，不夠快捷智能。

2.2 駕駛型磨光機(jī)

駕駛型磨光機(jī)工作效率大幅提高，但因體積龐大，不適應(yīng)于高空工作，且生產(chǎn)成本較高。在相關(guān)行業(yè)繁重的工作負(fù)荷下，相關(guān)企業(yè)已批量生產(chǎn)駕駛型磨光機(jī)。而對(duì)于高樓建筑所用磨光機(jī)，雖有稍微改進(jìn)，但沒(méi)解決操作繁瑣、效率低下的本質(zhì)問(wèn)題。圖1所示為兩種不同類型傳統(tǒng)磨光機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

3 遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)的方案設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，本磨光機(jī)擬采用智能控制技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)。研究?jī)?nèi)容主要是對(duì)人工智能磨光機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)的技術(shù)路線，如圖2所示。

3.1 遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)的組成

本磨光機(jī)由磨光機(jī)本體（包括小型汽油機(jī)、工作磨盤等）、360°方向攝像頭、4個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇、可升降支撐板、電機(jī)、單片機(jī)及輔助部件等主要部件組成。人工智能磨光機(jī)的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

360°方向攝像頭，安裝在磨光機(jī)的中心頂部位置，用于實(shí)時(shí)拍攝磨光機(jī)工作環(huán)境狀況，以便于操作者遠(yuǎn)程控制磨光機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的工作?？赊D(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇，安裝在磨光機(jī)本體的四個(gè)不同方向上，用于給磨光機(jī)的移動(dòng)提供相應(yīng)的動(dòng)力。單片機(jī)及輔助部件，安裝在磨光機(jī)本體上方的固定位置，用于向操作者發(fā)送360°攝像頭拍攝的畫面、接受分析來(lái)自操作者的遠(yuǎn)程控制指令，并且控制磨光機(jī)各個(gè)部件的工作狀態(tài)?？缮抵伟?，安裝在風(fēng)扇的下方，用于控制風(fēng)扇的高度。工作磨盤，安裝在磨光機(jī)的底部，用于打磨工作區(qū)域。電機(jī)，安裝在磨光機(jī)本體的固定位置，與相應(yīng)的螺紋桿和轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，用于提供風(fēng)扇升降和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。小型汽油機(jī)，安裝在磨光機(jī)本體的上方，與磨光機(jī)變速機(jī)構(gòu)相連接，通過(guò)小排量的四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力、變速機(jī)構(gòu)控制輸出轉(zhuǎn)速，最終獲得磨光機(jī)底盤工作葉片旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。

3.2 遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)的研究?jī)?nèi)容

3.2.1 人工智能磨光機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）支撐板豎直升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

支撐板豎直升降臺(tái)用于風(fēng)扇的豎直高度調(diào)節(jié)。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺紋桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使矩形塊進(jìn)行水平滑動(dòng)，第一連桿和第二連桿構(gòu)成剪刀狀結(jié)構(gòu)，第二連桿沿著導(dǎo)向桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為支撐板的上下移動(dòng)。因?yàn)槁菁y連接具有較好的自鎖效果，所以選用螺紋傳動(dòng)可以保證設(shè)備支撐板豎直滑動(dòng)以后具有良好的穩(wěn)定性。支撐板豎直升降結(jié)構(gòu)如圖4、圖5和圖6所示。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)軸鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)軸內(nèi)設(shè)在支撐板上方的固定圓筒內(nèi)，通過(guò)圓筒內(nèi)設(shè)電機(jī)帶動(dòng)，其上端貫穿圓筒固定連接風(fēng)扇，同時(shí)考慮到電機(jī)的軸都會(huì)有輕微的可轉(zhuǎn)動(dòng)空間，當(dāng)風(fēng)扇吹風(fēng)的時(shí)候，其會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸也會(huì)跟著晃動(dòng)。這種情況的出現(xiàn)，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的吹風(fēng)效果下降，還會(huì)加速設(shè)備的損害，所以在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)軸的底部采用卡板與鎖定輪配合的方式來(lái)完成轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)以后的卡死功能，由此來(lái)避免上述情況的發(fā)生。鎖定輪與卡板配合結(jié)構(gòu)如圖7所示。固定圓筒上端固定連接有電動(dòng)推桿，并與卡板固定連接，通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮帶動(dòng)卡板的移動(dòng)。

下面結(jié)合圖3-圖7對(duì)人工智能磨光機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行介紹：

360°方向攝像頭用于實(shí)時(shí)拍攝磨光機(jī)的工作區(qū)域視頻，并上傳至單片機(jī)；單片機(jī)是裝置的控制核心，主要控制電機(jī)以及電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可以通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信；風(fēng)扇是設(shè)備移動(dòng)的直接動(dòng)力源，通過(guò)風(fēng)扇的擺動(dòng)和自身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力實(shí)現(xiàn)磨光機(jī)的移動(dòng)，其轉(zhuǎn)向及風(fēng)速的調(diào)節(jié)受單片機(jī)控制；支撐板豎直升降臺(tái)（圖4、5、6）用于風(fēng)扇的數(shù)值高度調(diào)節(jié)；電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行擺動(dòng)；電動(dòng)推桿通過(guò)伸縮，從而去推動(dòng)卡板進(jìn)行水平的滑動(dòng)，卡板卡住鎖定輪（圖7），從而完成轉(zhuǎn)動(dòng)軸的固定。

3.2.2 人工智能磨光機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板是以單片機(jī)為核心的測(cè)控集成系統(tǒng)?？芍苯佑糜诳刂聘鞣N負(fù)載，成為實(shí)用的嵌入式控制系統(tǒng)[1]。人工智能磨光機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：通過(guò)單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)快速準(zhǔn)確地采集外部數(shù)據(jù)，并自動(dòng)執(zhí)行各種指令，通過(guò)C語(yǔ)言程序優(yōu)化來(lái)保證單片機(jī)在十分復(fù)雜的計(jì)算機(jī)與控制環(huán)境中，可以正常有序的進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)人工智能磨光機(jī)的相關(guān)控制功能。人工智能磨光機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示。

3.2.3 人工智能磨光機(jī)控制系統(tǒng)的創(chuàng)新性和設(shè)備特點(diǎn)

（1）創(chuàng)新性：通過(guò)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程操控磨光機(jī)啟停及運(yùn)動(dòng)等相關(guān)工作；根據(jù)360°方向攝像頭傳輸現(xiàn)場(chǎng)視頻，通過(guò)控制手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制；通過(guò)風(fēng)扇的擺動(dòng)和自身轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨光機(jī)的移動(dòng)。

（2）設(shè)備特點(diǎn)：設(shè)備智能，操作簡(jiǎn)單，工作高效，生產(chǎn)成本低；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可控及實(shí)時(shí)監(jiān)控操縱功能。

4 遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)工作原理分析

設(shè)備工作時(shí)，可以通過(guò)設(shè)備本身的機(jī)械開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，也可以通過(guò)手機(jī)上的啟動(dòng)按鍵啟動(dòng)。磨光機(jī)本體頂部的360°方向攝像頭用于拍攝磨光機(jī)工作區(qū)域的俯視視頻，并將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)上傳到單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存處理，然后將處理后的視頻通過(guò)藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳遞給手機(jī)，操作者根據(jù)實(shí)際的工作需求，通過(guò)操作手機(jī)頁(yè)面上的移動(dòng)虛擬按鍵來(lái)向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)分析工作人員所要求的的裝置移動(dòng)方向后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)分析的結(jié)果向第各個(gè)電機(jī)和電動(dòng)推桿發(fā)送指令，使得方向轉(zhuǎn)動(dòng)至需要的位置，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向以及吹風(fēng)高度等工作狀態(tài)，以風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的推力作為磨光機(jī)裝置的運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，最終達(dá)到遠(yuǎn)程控制磨光機(jī)各種工作狀態(tài)的效果。工作完成后，工作人員可以操作手機(jī)上的熄滅虛擬按鍵通過(guò)單片機(jī)來(lái)使裝置停止工作。

5 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)使用更加便捷、適應(yīng)性更強(qiáng)、使用范圍更廣、效率更高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。隨著科技產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)和人工智能技術(shù)的不斷成熟，各行業(yè)都在積極研究相關(guān)行業(yè)的智能化設(shè)備[2，3，4]，為遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)的推廣應(yīng)用提供了必要的技術(shù)條件。中國(guó)現(xiàn)有的基建市場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)巨大，本設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)能夠在一定程度上減少工人操作機(jī)器時(shí)的工作強(qiáng)度和意外事故發(fā)生的概率，符合市場(chǎng)要求，具有較好的市場(chǎng)前景。

基金項(xiàng)目：2021年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程可控人工智能磨光機(jī)（項(xiàng)目編號(hào)：X202113857082）。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒家柱，段瓊瑾.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù)，2011（07）：75-77.

[2]趙建新.基于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（34）：110-111.

[3]金洪吉.基于物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2020，19（14）：35-36.

[4]王東林，范英男，梁國(guó)濤，等.設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].汽車制造業(yè)，2022（05）：48-51.