褚明杰

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧沈陽 110168）

0.引言

2020年，受新冠疫情影響，市場對商業(yè)清潔機器人需求旺盛，商用清潔機器人在機場、醫(yī)院、辦公區(qū)等多個應(yīng)用場景加速落地。然而由于商用清潔機器人應(yīng)用規(guī)模較小，價格相對手推式洗地機或有人駕駛洗地機要貴很多，不利于商業(yè)化推廣。

基于此，本文提出了對手推式洗地機進行智能化改造的方案。在手推式洗地機上加裝激光雷達、聲吶、電機、控制器等智能化部件，使改造后的洗地機能夠自主導航、自動清潔場地，且可定時定點工作，擺脫工作時段及人工操作的限制。以低于商用自動清潔機器人的成本，實現(xiàn)其主要功能的智能化改造。

1.改造方案

1.1 需求分析

目前用于商用自動清潔場景的機器人主要有以下3個功能：（1）自動清潔，脫離人工操作，自主完成路面或地面的清掃、灑水等工作；（2）自主導航，機器人通過激光SLAM技術(shù)沿自動規(guī)劃路線行走同時清潔行走過的路線[1]；（3）云端功能，可通過云端管理機器人，實時讀取機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析及設(shè)備異常預警，并生成清潔任務(wù)報告反饋。

1.2 改造方案

手推式洗地機主要分為拖線式、電瓶式及自走式3類。拖線式?jīng)]有電瓶，需要插電工作。電瓶式里面有電池，可以脫開電源工作，工作范圍較大。自走式安裝有行走電機，清潔效率和工作范圍都要更優(yōu)。還有些以根據(jù)工況手動調(diào)節(jié)刷盤下壓的壓力及行走速度，達到最佳清潔效果。如圖1所示，手推式洗地機的控制系統(tǒng)主要分為3部分。操作面板安裝有一些模擬量控制旋鈕，并將控制信號轉(zhuǎn)接到控制板，控制板內(nèi)有控制及功率放大電路，控制水泵、電機等設(shè)備。整個系統(tǒng)由電池或插線供電，電池由充電器充電。虛線部分為自走式及更高級手推洗地機具備的功能。整個系統(tǒng)的控制全部為手動操作。

圖1 手推式洗地機系統(tǒng)架構(gòu)

對手推式洗地機改造的方案是盡量保留原有電氣執(zhí)行設(shè)備，加裝機器人智能化相關(guān)硬件板卡及傳感器。如圖2所示，增加機器人控制器、電機驅(qū)動器、電量監(jiān)控板及用清潔控制板替換原有洗地機控制板。各板卡及控制器通過CAN接口組成CAN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 改造系統(tǒng)框圖

機器人控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，需要運行激光SLAM算法，對計算能力有較高要求，所以選用J1900為處理器的單板電腦。且具有雙網(wǎng)卡且可通過PCIe擴展WiFi及4G模塊。主要用于實現(xiàn)機器人自主導航定位、避障、自動回充及控制洗地機各電氣設(shè)備完成自動清潔等功能。為實現(xiàn)自主導航，需在洗地機上加裝激光雷達、深度視覺傳感器及聲吶傳感器。激光雷達具有測量功能，可將距離和角度信息輸出給機器人控制器，用于建立輪廓地圖及實時導航定位。聲吶傳感器及深度視覺傳感器安裝在機器人前方及側(cè)前方，可探測機器人前方2m以內(nèi)障礙物，用于補償激光雷達掃描盲區(qū)。機器人控制器通過以太網(wǎng)及USB等接口，將獲取到的多傳感器信息進行數(shù)據(jù)融合解算，生成機器人自主規(guī)劃路徑，并控制電機完成機器人自主運動導航行走。

用清潔控制板替換手推式洗地機控制板。該板卡主要接收機器人控制器指令，并對刷盤、掛耙、水泵等清潔設(shè)備進行控制。在整個改造后的系統(tǒng)中，該板卡通過CAN總線與其他板卡進行通信。如圖3所示，板卡主控芯片采用TI 28035 DSP芯片，其自帶片上232和CAN通信接口，可以滿足板卡對外通信的功能。還通過自帶的SPI接口，在板卡上與EEPROM存儲芯片通信，用于存儲洗地機各電氣設(shè)備的控制狀態(tài)。刷盤電機、真空泵和凈水泵通過輸出24V電壓供電。AD模塊采集這3個設(shè)備工作電流，并通過對反饋電流的檢測，來決定是否繼續(xù)供電。刷盤升降推桿和刮降升降推桿均采用電缸來進行升降，DSP采用PWM波的方式進行24V換向輸出，控制電缸的升降。同時，DSP的QEP電路模塊采集電缸反饋的相位差為90°的A、B兩路脈沖方波，計算出電缸的位置，并對電缸的運動進行控制。

圖3 清潔控制板架構(gòu)

手動洗地機根據(jù)配置不同，會不配或配有一個行走電機，無法實現(xiàn)差速旋轉(zhuǎn)，且沒有里程計等反饋裝置，無法滿足自主導航需要，所以將此部分電機及輪子整體替換為電機及外輪設(shè)計一體化的伺服電動輪，具有伺服電機高精度的優(yōu)良特性，不需要減速箱，安裝極其方便。且低速特性突出，平穩(wěn)性好，最低速度可達±1rpm，相比傳統(tǒng)無刷+減速機方案，由于沒有減速箱，靜音效果非常好。伺服電動輪的控制采用帶CAN接口的一拖二型驅(qū)動器，節(jié)省空間。

手推式洗地機一般只配有鉛酸電池且沒有BMS，無法精確計算電量[2]。本文中將鉛酸電池更換為三元鋰電池?？紤]自動化改造后清潔效率會有較大提高，且低電量時可自動回充，充滿電后再繼續(xù)執(zhí)行清潔任務(wù)，不需人工干預?？蓪囯姵厝萘窟m當減小，并增加集成BMS的電量監(jiān)控板，精確監(jiān)控電池電量。且將開機啟動按鈕和急停按鈕接入到電量監(jiān)控板，實現(xiàn)洗地機的上電邏輯控制。電量監(jiān)控板卡主要包括電量監(jiān)測采集板與電量監(jiān)測CPU板兩塊板卡。其中電量監(jiān)測采集板主要包含電流檢測、電壓檢測、板卡電源上電控制、上電軟啟動控制、機器人系統(tǒng)上下電控制等功能；電量監(jiān)測CPU板主要包含電流檢測調(diào)理、電壓檢測調(diào)理、溫度檢測、上電邏輯控制、參數(shù)存儲、通訊等功能。

本方案中還設(shè)計有充電站，智能化改造后的洗地機在電量低時可以自主回充[3]。充電站內(nèi)部電路主要分為兩部分，一部分為開關(guān)電源板卡，主要功能是將220V/AC轉(zhuǎn)換成32VDC/15A的直流電源；另一部分為控制板卡，主要是利用恒流模塊（LT3741）將輸出電壓、電流限制在30VDC/15A以匹配電池充電的電流、電壓，并利用熱插拔模塊（MIC2586X）控制輸出電流漸進式上升，防止接觸電流過大對洗地機本體電氣部件產(chǎn)生沖擊。

為使手推式洗地機具備云端功能，在遠程云端可以實時看到機器人狀態(tài)信息等。需通過機器人控制器的PCIe接口擴展無線網(wǎng)卡，通過4G或WiFi連接外網(wǎng)訪問云端服務(wù)器。另外機器人控制器還通過一個有線網(wǎng)口接無線路由器擴展WiFi熱點，可通過手機App遙控機器人，并建立清潔作業(yè)。

2.結(jié)論

本文分析了商用自動清潔機器人的基本功能，并提出了一種基于手推式洗地機智能化改造的方案，可以用較低的成本實現(xiàn)自動清潔機器人的基本功能。對商用自動清潔場景的加速推廣也是一種有益的探索。