电磁循迹式校园除雪机器人设计与实现
2017-8-8 来源： 西安市铁一中学，陕西 西安 作者： 刘家睿
摘 要：我国北方地区降雪后，学校师生通常采用人力方式进行校园内路面的积雪清理。基于校园需求，结合校园内道路简单、白天人群密集等特征，本文设计了基于电磁循迹的校园自动除雪机器人。利用该装置除雪，一方面可以减轻师生清除积雪负担，另一方面能方便快捷地清理积雪。
关键词：电磁循迹；电磁传感器；超声波传感器；自动除雪
本项目所设计的机器人由电磁传感器通过感应铺设在校园道路上的电磁轨道线路来进行清雪工作，规避了外界环境对机器人行走路线的干扰，使机器人在白天、黑夜都可以进行工作；由超声波传感器感知前方是否有障碍，当判断前方有行人距离机器人较近时停止前进，适时躲避行人，保证了校园内学生的安全；由向右侧道路倾斜和道路形成一定夹角的推雪铲斗将道路上的积雪推到道路两侧，不会对校园环境产生破坏。样机实验表明：该机器人结构简单、体积小巧，可以为学校的主要道路清出一条安全的人行通道，从而解决大量降雪时校园内除雪不及时和除雪时破坏校园学习环境的问题。该设计可以广泛推广，方便出行。
一、前言
我国北方地区每年大概有 3-5 个月的降雪期。为了保障大多数人雪后上班、上学的出行安全，环卫人员利用大型扫雪设备或通过撒布化学药剂等方式清理主要道路上的积雪，而忽略诸如校园、居民小区里的狭小路面，积雪往往靠师生、居民自己清除。对于校园等的狭小路面，目前的除雪方法存在如下不足：除雪方法原始且效率低、大型除雪设备无法进入、化学融雪剂因耗能大、成本高、易造成环节及路面污染和腐蚀而不能使用。因此研制符合校园实际的体型小巧、效率较高、成本较低、安全性高、便于操作的除雪装置显得尤为必要。本项目所设计的“电磁循迹式校园除雪机器人”便是借鉴大型除雪装置机理且满足上述要求的除雪装置。
二、需求分析
本项目设计的校园自动除雪机器人需要满足以下几个功能：
（一）除雪功能
除雪机器人首要工作就是清雪扫雪，校园道路人流比较集中，下雪后必须及时清理，清理时间最好是在上课时或放学后进行。这就要求除雪机器人要能适用于学校道路，并且能够及时、噪声小并以环保的方式进行除雪工作。
（二）自动行驶功能下雪时间不固定，积雪又要及时清理，因此除雪机器人除了要满足在指定道路上行走外，还要能够适应各种不同的时间段，即在天亮、天黑的情况下均能运行。所以对于自动行驶的功能要满足任何时段、任何光线下可以按照指定路线进行清理工作。
（三）躲避行人功能在机器人自动清理积雪过程中，难免会有行人经过，要避免行人和除雪机器人相互影响，机器人在行驶过程中要能够识别前方是否有行人经过或挡路实现躲避行人的功能。
三、总体设计方案
针对需求分析结果，本项目以电机驱动的双驱智能车底盘为平台，采用Arduino单片机开发板为机器人主控制器，利用（电磁）循迹传感器控制机器人运行路径，距离（超声波）传感器判断行人从而进行避让，通过推雪铲斗的机械推雪方式进行道路除雪工作，项目总体结构如图1所示。
图1 总体结构图
（一）循迹模块
本项目选用电磁循迹，其原理简述如下。路径中央的导线通有正弦规律变化的电流，由毕奥——萨伐尔定律可知，变化的电场激发变化的磁场，且磁场与电场的变化规律一致。 对于通有稳恒电流 I 长度为 L 的直导线，周围会产生磁场，距离导线距离为 r 处 p 点的磁感应强度为
当通电导线上方置有线圈绕成的电感时，正弦电流会引起通过线圈回路所围成的磁通量Φ的变化，回路中会产生感应电动势 e，由法拉第电磁感应定律可知，感应电动势大小与通过导线回路的磁通量变化率成正比，即
其中 k 为线圈面积，由式（4）可知当线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离。即电感离通电导线越近，感应电动势就越强，反之电感离通电导线越远，感应电动势就越弱。在除雪机器人中轴线前方安装有对称的电磁传感器，当机器人自动行驶过程中偏离通电导线，前方的电磁传感器会产生感应电动势。在理想情况下，通电导线正好穿过机器人的中心轴，则两边电磁传感器产生大小相等、方向相同的感应电动势，其差值为零。如果机器人在行驶过程中偏移了方向，两边的电磁传感器会产生电动势差值，通过 AD 转换器将电动势差值转换成数字信号由单片进行处理，从而调整其行驶方向。
（二）避障模块
避障可以使用红外传感器或者超声波传感器，同样是为了不受室外环境的干扰，所以本项目采用了超声波传感器。在检测障碍时，超声波传感器发送器发出40KHz 的脉冲超声波，如除雪机器人前方遇到
障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片 LM567 解码，当 LM567 的输入信号大于25m V时，输出端由高电平变为低电平，80C51
单片机处理。
（三）除雪装置
经过文献研究发现，除雪方式分为：融雪除雪法、机械除雪法和综合式除雪法。除雪机器人采用倾斜式推雪铲斗设计铲斗是由类似字母“C”形的加强钢板构成，并对其内表面进行抛光处理，使其在倾斜一定角度后具有将积雪向道路外侧铲除的作用。（四）单片机模块单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存器RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用单片机模块是整个机器人的大脑，处理传感器的各种信息，并作出正确的判断。
四、机器人软件设计
图2 程序流程图
机器人软件程序主要由各硬件初始化模块、循迹和避障处理模块、驱动模块组成。主程序流程图如图2所示。
五、电磁循迹式校园除雪机器人实现
（一）模型实现
1、机械结构。
为了加快开发进度和降低开发难度，本项目设计过程中采用市面上的智能小车底盘作为机器人开发平台，最终选用了双驱智能小车底盘。
2、硬件的选型与设计。
（1）单片机。单片机选用了 Arduino 开发板。Arduino 它没有复杂的单片机底层代码，没有难懂的汇编，只是简单而实用的函数。而且具有简便的编程环境 IDE，极大的自由度，可拓展性能非常高。标准化的接口模式为它的可持续发展奠定了坚实的基础。
（2）超声波传感器。超声波传感器选用HC-SR04 超声波测距模块，提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
（3）电磁循迹传感器。电磁循迹传感器选用了一体化四路电磁传感器模块，有四路模拟信号输出，供单片机循迹使用。
（4）铲雪装置。本设计只是测试功能的小车模型，无法用钢板制作“C”型铲斗，故用半弧形塑料片加支架固定在小车前方来模拟铲斗。
（二）程序写入
相较于选择硬件及组装，自动除雪机器人程序的编写与调试可以算作本项目的难点。通过arduino IDE开发程序分别编辑各模块的控制代码，并将其写入机器人的单片机进行调试。电磁循迹模块控制程序。通过电磁循迹模块返回的4路模拟信号，判断小车所对应电磁轨道的位置，始终保持小车中间对这电磁轨道。实现小车沿轨道的行使。超声波测距模块控制程序。判断超声波传感器返回的据前方障碍物的距离，当距离小于5cm 时，驱动电机停止工作，当距离大于 5cm 后驱动电机重新开始工作，使机器人继续前进。驱动电机的控制程序。控制小车驱动电机，使之完成启动、停止、转完的功能。
（三）实验验证
为验证循迹式校园除雪机器人的除雪效果，本实验通过设计不同的场景进行模拟。本实验从自动行驶、障碍物躲避和除雪效果三个方面进行对比。自动行驶部分我们通过调节室内灯光亮度模拟白天和黑夜，通过遮挡灯光模拟建筑物阴影。结果显示，采用电磁循迹方式的机器人不受光线强弱及道路阴影的影响，能够按照指定轨迹行驶。而采用红外线循迹的机器人在明暗对比强烈的场景下，会出现脱离轨迹方向的情况。在障碍物躲避部分，我们通过在机器人行驶轨迹上放置障碍物来模拟经过的行人。结果表明，采用两种循迹方式的机器人在行驶过程中遇到障碍物市都会停止行驶，在障碍物移除（行人走开）之后会继续沿指定轨迹行驶。最后一部分是除雪效果的检测。我们通过在地上铺洒面粉模拟道路积雪。结果显示，机器人铲雪装置基本可以将路面的“积雪”清推到道路两侧，为行人清理出可以行走的道路。除雪效果明显。
（四）实验总结
根据对不同场景的模拟实验，可以看出：装有电磁循迹的机器人比用红外线循迹模块的机器人更能够适应多种光线条件下的正常行驶，可全天工作；安装超声波模块可以达到躲避行人的目的；铲雪装置可以完成基本的铲雪任务。
六、创新性
本电磁循迹式校园除雪机器人有着如下创新之处：第一，采用电磁寻迹，规避了外界环境对机器人行走路线的干扰，使机器人在白天、黑夜都可以进行工作。第二，采用超声波进行躲避行人，保证了校
园内学生的安全。第三，采用了机械除雪，不会对校园环境产生破坏。
七、结论
本电磁循迹式校园除雪机器人，不仅具有结构简单、体积小巧、操作简单、效率较高、成本较低等特点，为了能自动除雪采用了电磁循迹，并且加入了避障功能，保护了学生的安全，因此还具备安全稳定的特点。样机实验表明，该机器人可以在校园中自动清出人行通道。该设计主要适用于校园，也可应用在公园空地、工厂空地、社区、广场空地等场合，使清雪除雪更加高效，方便人们日常出行。
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