王勇祺 呂茵 董宇 宋曉霖 李巖松

摘要：路面養(yǎng)護機械化程度的高低，是一個城市現(xiàn)代程度和綜合實力強弱的重要標(biāo)志之一。針對國內(nèi)的環(huán)衛(wèi)清潔現(xiàn)狀， 本團隊研究出一種柏油馬路智能清掃機器人，主要解決道路的清潔問題以及如何能擺脫人力的局限性，通過ROS機器人操作系統(tǒng)視覺SLAM和雷達SLAM技術(shù)完成機器人對道路模擬地圖的構(gòu)建，從而自動完成對清掃機器人的路徑規(guī)劃問題，使機器人可以自主的規(guī)劃路徑對道路進行全方位清理。

關(guān)鍵詞：路面養(yǎng)護;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)化率提升帶來道路清掃保潔面積高速增長。隨著我國近年來經(jīng)濟快速發(fā)展以及國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，我國城鎮(zhèn)化率穩(wěn)步提升，同時人民對于保潔衛(wèi)生的需求也不斷增大。全國城市道路清掃面積數(shù)據(jù)預(yù)測，城市道路清掃保潔面積從2006年的32.48億平方米增長到2018年的111.18億平方米，復(fù)合增長率約為9.42%。預(yù)計隨著城鎮(zhèn)化率的提升，未來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)計原理

2.1 設(shè)計思路

本產(chǎn)品主要目的是設(shè)計一款針對道路清掃的機器人，對道路進行高效清掃，達到維護路面整潔的功能。該機器人可以自主清掃路面，不需要人工的干預(yù)，通過獲取道路、車輛位置和障礙物信息，可以應(yīng)對多種突發(fā)情況并進行有效避障。通過使用STM32單片機作為中心控制系統(tǒng)，利用串口通信進行數(shù)據(jù)間的傳遞。利用ROS機器人操作系統(tǒng)雷達SLAM和視覺SLAM感知完成對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)過數(shù)據(jù)處理將圖像顯示在PC上位機中，該機器人可以進行智能型清掃，自主規(guī)劃路線進行清掃，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)計一款針對城市柏油馬路的智能清掃機器人。利用STM32單片機作為控制中心，結(jié)合清掃系統(tǒng)，運動系統(tǒng)，三維場景模擬系統(tǒng)對城市路面情況復(fù)雜的柏油馬路，進行高效清掃，高效節(jié)能，維護城市道路的整潔。同時利用車載傳感器來感知車輛周圍環(huán)境通過感知所獲得的道路、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

Ros機器人操作系統(tǒng)（圖3、圖4）。

通過ROS機器人操作系統(tǒng)視覺SLAM和雷達SLAM技術(shù)完成機器人對道路地模擬地圖的構(gòu)建，從而自動完成清掃機器人的路徑規(guī)劃問題，通過算法分析進行路徑規(guī)范，精準避障，自主導(dǎo)航等功能，使機器人可以自動地規(guī)劃路徑，實現(xiàn)路徑導(dǎo)航，順利變道、精準轉(zhuǎn)彎，從而對道路進行全方位清理。

2.2.3 整體結(jié)構(gòu)概述

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖5、圖6）。

該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由多過濾式螺旋離心吸塵系統(tǒng)、一體式單電機多傳動系統(tǒng)、單自由度鏈條清掃器、多級式泵水系統(tǒng)、萬向蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)、后部螺旋垃圾收集器、多通道高壓噴霧系統(tǒng)、行進輪傳動結(jié)構(gòu)、底部單滾刷活動式吸塵器等構(gòu)成。該產(chǎn)品創(chuàng)新結(jié)構(gòu)主要針對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，省時省力。利用ROS機器人操作系統(tǒng)的路徑規(guī)劃和模擬地圖構(gòu)建技術(shù)，取代傳統(tǒng)費時費力的人工清掃，實現(xiàn)了智能型機器人的功能，也極大地方便了人們的生活以及工作效率。

②功能創(chuàng)新，運動清掃一體化，自主導(dǎo)航。利用機器視覺的圖像處理及三維場地恢復(fù)技術(shù)結(jié)合雷達SLAM技術(shù)，實現(xiàn)了機器人對整個的道路場景的分析，規(guī)劃出最優(yōu)的路線對道路進行清掃。

4? 應(yīng)用前景（結(jié)語）

隨著城市道路的不斷擴展，城市化規(guī)模不斷擴大，人流車流的增大，道路垃圾越來越多、出現(xiàn)的頻率越來越快。道路運營過程中，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)護職工的工作難度，更給道路安全通行埋下了重大隱患。本團隊研究出的道路清掃機器人作業(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，市政以及機場道面等道路清掃，未來前景良好。

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