牛舍清洁机器人结构设计与避障设计

尧李慧，蔡晓华，田 雷，侯云涛

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319； 2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

牛舍清洁机器人结构设计与避障设计

尧李慧1，蔡晓华2，田 雷1，侯云涛2

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319； 2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

对牛舍清洁机器人的结构与避障设计进行分析与研究，并针对清洁机器人在完成清洁任务的过程中遭遇障碍物及运行路径的全覆盖问题，对清洁机器人的运动机构与外形结构进行分析。同时，对清洁机器人重要设备如电机、电池及控制器等进行选型，通过对各障碍物进行分类识别，并结合迂回式路径规划算法和靠墙或牛栏等障碍物的避障策略，实现清洁机器人对牛舍的全方位清扫工作。实践证明：在基于障碍物分类识别的迂回式避障策略设计与靠墙或牛栏障碍物避障策略设计，在清洁机器人发展历程中起着关键性的作用。

牛舍；清洁机器人；避障策略；障碍物分类识别

0 引言

当前，机器人已经成为人类生活的重要组成部分，在人类的生活、学习与工作中体现得淋漓尽致，极大地提高了其效率。针对机器人的使用方式与使用功能，可以把机器人分为家用、医用与军用等类型。其中，自主智能化服务机器人为机器人技术发展的首要趋势，它是将理论与实践相结合的一门技术，是当今人类所分析与研究的热门。国家在发展，科技在不断地创新，服务类机器人领域的突破也在与时俱进，不断成为人类生活中必不可少的一部分，以清洁机器人最为明显[1]。

本文将重点研究牛舍清洁机器人。牛舍清洁工作是一项循环往复的枯燥劳动，工作量大，且做不到24h不间歇地清扫，容易导致牛舍环境气味污染等。牛舍清洁机器人与其他服务类机器人在功能与使用场合上均不相同：服务机器人均是用在固定的区域场合中，环境地图非常清晰明确，而牛舍清洁机器人的环境区域与区域中障碍物种类均是不确定的。因此，需要通过对清洁机器人结构与自主智能控制算法的设计，使得清洁机器人有更合适的行驶路径，并基于相关避障策略实现全方位清扫，从而更加高效、自主地完成牛舍清扫工作任务。

1 清洁机器人运动机构设计

在牛舍清洁机器人机械结构设计完成的基础上，需要考虑清洁机器人运动机构的结构和性能。目前，市场上常见的移动机器人分为履带式、步行式与轮式3种：履带式移动机器人常用在室外，其越过障碍物的能力较强；步行式移动机器人结构设计与驱动机构控制难度大，常用在比较复杂的场合；轮式移动机器人结构设计与驱动控制难度较小，常用在地面相对不复杂的场所，且轮式机器人分为两轮、三轮、四轮与六轮的移动机器人[2]。

本设计中的牛舍清洁机器人为两轮式清洁机器人，主要针对室内牛舍地面清粪工作，如图1所示。

图1 清洁机器人结构图

图1中，左右轮为驱动轮，通过差动的驱动方式驱动清洁机器人的两个直流无刷电动机，电机通过左右链条分别带动左右两大轮的转动，从而实现清洁机器人的移动。实际的牛舍地面环境中也有比较复杂的区域，清洁机器人的工作目的就是将所有(包括角落)的地方打扫干净。

2 清洁机器人机身的尺寸

本设计清洁机器人高为575mm，刮粪板直径为860mm，机器长度为1 362mm，机器宽度为860mm，传感环距离地面的高度为102mm，两驱动轮放置在底盘的轴线上。由于机器人高度为 110mm，牛舍中清洁机器人相对低矮的环境都能继续行驶，在驱动轮的结构尺寸设计时高度不能超过清洁机器人的高度。图2所示为清洁机器人外形尺寸图。

A.刮粪板直径860mm B.机器长度1 362mm C.传感环高度102mm D.机器高度575mm E.机器宽度860mm图2 清洁机器人尺寸

3 电机和电池选型

3.1 电机选型

对于清洁机器人的驱动控制，最关键的是选择合适的电动机，确定驱动电动机所需要的最小驱动功率，从而进行电机的选型。清洁机器人的电机功率太小，清洁机器人驱动不起来；清洁机器人的电机功率太大，则电动机的质量与体积也会跟着变大，不利于清洁机器人的便捷性清洁运动。本次设计的清洁机器人载有水箱，本身所承载的剩余质量已经不多，因此会导致设计无效的后果。所以，选择功率合适的电动机对清洁机器人驱动机构设计至关重要。

电动机分为直流电机和步进电机两种类型，驱动方式的不同则是直流电机与步进电机的主要区别所在。直流电动机移动方式是连续的，并以模拟控制的方式进行相应的驱动；步进电动机的移动方式是分段进行的，或者说是以步阶的方式进行，采用直接控制方式，步阶位置是电机控制的变量。针对直流电机而言，电压是直流电机的控制变量，速度和位置是直流电动机的命令变量，直流电动机对其控制系统会有一个信息反馈，从而控制电机位置。虽然直流电动机结构上非常复杂，但是它调节非常方便，使用的范围广泛，性能良好。电机还可分为有刷电机和无刷电机，其中直流有刷电动机的转动速度很高，损耗很大，寿命短，工作1 000h后需要更换电机的电刷，且安装减速的齿轮难度很大，存在寿命短、故障的发生率高等问题，缺点较直流无刷电动机多很多。因此，本设计采用了一款直流无刷电动机作为机器人行走的驱动电机。

该款电机的型号为SMP6224，实物图如图3所示。对比前面机械部分提到的对应功能参数，该款电机完全可以对机器人进行驱动。

图3 直流无刷电动机实物图

3.2 电池选型

在清洁机器人硬件设计中，重中之重是电池的选择。针对牛舍清洁机器人而言，机身安装有左右两个驱动电机，为了软化粪便，需要进行喷水清扫工作。由于机身中间安装有水箱，两者需要同时进行工作，所以在选择电池的时需综合考虑电的容量及机器人的体积等因素。本设计采用了奥铁马卷积电池中的黄顶31，额定容量75AH。

笔者所选择的电池均符合以下条件：首先，自放电率很低，电量保存时间长，最大可保存电量能够实现两年都不用充电；其次，该电池没电时充电的速度极快，40min电池的电量可以达到90%～95%，且放电效率显著，一般可以达到18C左右；再者，对于牛舍的清洁机器人，室内温度高，考虑到电池的适用温度范围，选用的电池适用温度在-55～75℃之间，完全符合其温度范围；最后，对于电池的使用寿命来说，笔者选用的电池寿命很长，是一般普通电池的3倍左右。电池实物如图4所示。

图4 电池实物图

3.3 控制器的选型

选用的控制器为STM32F103VET6控制器。在内核方面，工作频率最大为72MHz，CPU为ARM32位；在存储器方面，属于片上集成的Flash存储器，存储容量为32～512kB，SRAM存储器存储容量为6～64kB。针对该控制器的复位电路、时钟信号的电源方面，其供电电源是2～3.6V，内部RC振荡电路为40kHZ，主要用在CPU时钟的PLL上，POR、PDR与PVD的晶振为4～16MHz。针对其低功耗特点，将其分为待机、休眠与停止3个部分。在调用模式上，主要是对SWD与JTAG接口进行串行调试，并对ADC、DAC、SPI、IIC和UART等定时器外设进行相应支持。它有两个12位的AD转换器，该转换器有16个通道，且测量的范围是0～3.6V；该控制器的片上装有一个温度传感器和12位的D/A转换器，且有两个通道，112个I/O端口。不同控制器拥有的I/O端口数量不一样，分为26、37、51、80、112个I/O口的控制器，所有的端口都可以映射外部中断向量，且有16个。根据控制器类型的不同，选用的控制器有13个通信接口：5个USART接口； 2个IIC接口，分别为SMBUS与PMBUS； 3个SPI接口，均为18mbit/s；1个CAN接口；1个USB全速接口；1个SDIO接口；封装形式为ECOPACK[3]。

如上所述，STM32F103VET6拥有丰富的外设配置，功能非常强大，能够满足本设计的要求。其主控PCB板如图5所示。

图5 PCB板

4 驱动模块设计—行走机构的驱动电路

行走机构的电机采用的是直流无刷电动机，环境适应性高。DSP2812 芯片可以直接输出控制信号，但 DSP 自身输出的 PWM 波的功率较小，必须通过驱动电路才能驱动行走电机。本系统采用 L298P 芯片进行功率放大，以驱动行走电机。L298P 驱动电路如图6所示。

图6 L298P 驱动电路示意图

5 清洁机器人避障系统对障碍物分类识别

为了使清洁机器人更好地避开障碍物，从而安全行驶，可以根据清洁机器人的避障系统来识别障碍物类型，采用相应的避障策略避开障碍物。同时，对整个牛舍进行全局的路径规划，使得清洁机器人能够全方位地进行牛舍清扫工作。清洁机器人实现全区域覆盖的避障系统如图7所示。

图7 清洁机器人全区域覆盖的避障系统

由图7可知：牛舍清洁机器人避障系统能够进行障碍物的分类识别，驱动控制机构可进行相应驱动控制，采取迂回式等避障策略使得清洁机器人能够更安全地进行牛舍全区域的清扫工作。因此，为了更准确地对各类障碍物进行分类识别，需要在牛舍清洁机器人机身内部安装多个传感器，对清洁机器人所需要的相关信息进行相应融合与处理，再进行反馈，从而得知障碍物类别；最后，进行相应避障策略的实施。

在牛舍清洁机器人对遇到的障碍物信息进行处理过程中，运用产生式规则的方法，可以实时地对所遇到的障碍物进行精准识别。产生式规则法通过用相应符号来表示目标特点或特征。简单来说，在逻辑推理的过程中，两个或者多个规则变成一个规则时，这个过程就叫作融合的过程。该融合信息的方式简单，适合清洁机器人的传感器融合技术。

牛舍清洁机器人在牛舍清扫工作过程中，需要对其所遇到的障碍物进行安全躲避，所需要的障碍物信息应该分布在清洁机器人机身左边、中间与右边方向上的红外线传感器，以及清洁机器人正前方碰撞块的信号，从而得出障碍物与清洁机器人的相对位置及障碍物是否已经被牛舍清洁机器人所碰撞到，最终根据这些信息控制清洁机器人的下一步运动方向。构建的清洁机器人障碍物产生式规则库如表1所示。清洁机器人内部的红外线传感器与碰撞开关所收集到的信息是前提条件，对其信息融合后判断出的障碍物类别并采取相应的避障策略是其结论，最终得出障碍物产生式规则库，清洁机器人则可以根据规则库采取避障策略进行安全避障行驶。

表1中：H左表示清洁机器人左边的红外传感器，H中表示机身中间的红外传感器，H右表示机身右边的红外传感器；P左表示机身前左方向的碰撞块，P右表示机身前右方向的碰撞块；“1”表示红外线传感器产生反馈信号，“0”表示红外线传感器并没有反馈信号；“√”表示碰撞块传感器产生反馈信号，“×”表示碰撞块传感器没有反馈信号。

表1中，若牛舍清洁机器人第1次检测到障碍物时，清洁机器人内部传感器的状态为左边、中间、右边3个红外线信号都有信号反馈，机身前方两个碰撞传感器均无信号；当清洁机器人检测到该障碍物另一边时，传感器的状态是左边与中间红外线传感器有信号，而右侧红外线传感器无信号，机身前方碰撞传感器依旧无信号，可以参照表1的规则库得知该检测到的障碍物在清洁机器人前方左侧靠墙，并按照路径规划中的相应避障策略进行避障安全行驶[4]。

通过使用产生式规则的方法，在清洁机器人机身上安装多个传感器对所有障碍物信息进行相应处理，实时、准确地判断障碍物的类别。产生式规则法是通过用相应符号来表示目标特点或特征，如果在相同的逻辑推理过程中两个或者多个规则形成一个规则时，说明其产生了融合，该融合信息的方式简单，适合清洁机器人的传感器融合技术。

表1 产生式规则库

6 迂回式避障策略

迂回式避障是清洁机器人全区域覆盖避障的基础。由于在实际牛舍清扫过程中没有任何障碍物，所以迂回式避障策略就是控制牛舍清洁机器人在牛舍内做直线往返运动，只是避免碰撞到墙壁或者牛栏等障碍物边界即可。清洁机器人的直线运动包括两种：一种是直线前行，清洁机器人的运动轨迹宽度即为清洁机器人的机身直径；另一种是遇到障碍物即墙或者牛栏的绕转运动，当遇到墙或者牛栏等障碍物边界时绕转运动轨迹，即为清洁机器人机身直径的半圆弧。牛舍清洁机器人进行迂回式避障的过程如图8 所示。假设避障前运动方向由右向左，进行直线运动，当清洁机器人前方的墙或者牛栏等障碍物边界距离清洁机器人只有500mm时，机身内部的红外线传感器即能检测到障碍物，驱动控制系统就会控制清洁机器人进行180°绕转动作；然后，清洁机器人继续进行直线运动，此刻的运动方向与之前的运动方向正相反。清洁机器人迂回式避障实际效果图如图9所示。

图8 迂回式避障

图9 清洁机器人迂回式避障实际效果图

清洁机器人在实际牛舍运行中，针对迂回式避障策略，需要做到清洁机器人在遇到墙或者牛栏障碍物边界时绕转后的行驶方向应与避障之前的方向完全相反，且避障前后的行驶路径应处于平行直线状态。假设牛舍清洁机器人在进行绕转行驶时的位置o′坐标是(x0,y0,θ0)，行驶n个采样周期以后，牛舍清洁机器人的位置o′ 坐标变为(xn,yn,θn)，最后当(1)、(2)两式成立时表示绕转行驶结束，继续直线行驶，以此进行往复运动，则

θ0-θn=180°

(1)

(2)

7 靠墙或者牛栏障碍物的避障策略

假设牛舍清洁机器人第1次检测到靠墙或者牛栏障碍物边界时清洁机器人机身位置o′为(x1,y1,0°)，一旦遇到障碍物，则会先采用迂回式避障策略；当牛舍清洁机器人到达障碍物另一个边界时，能够根据障碍物类型识别规则得出其障碍物是否为靠墙障碍物，迂回式避障策略被取消，沿墙或牛栏的障碍物避障策略被采用，并沿着障碍物另一边行驶到清洁机器人位置o′的x值为x1时停止沿边行走；沿墙或牛栏行驶结束后，此时清洁机器人需要进行原地旋转直至θ值为0°，然后继续以直线行驶。假设牛舍清洁机器人第1次检测到靠墙或者牛栏障碍物边界时清洁机器人机身位置o′为(x1,y1,180°)，沿墙或牛栏行驶结束后θ值为 180°，进而继续直线前行[5]。清洁机器人靠墙或牛栏障碍避障轨迹如图10所示。

图10 靠墙障碍避让轨迹

8 结论

首先对清洁机器人运动机构与外形进行设计，并对清洁机器人的相关设备(如电机、电源等)进行选型，清洁机器人通过对各障碍物进行分类识别，提出了基于迂回式路径规划算法和靠墙或牛栏等障碍物的避障策略。按照设计的算法，清洁机器人可以实现全区域覆盖的要求，包括牛舍各个角落的全方位清扫工作。实验证明，该避障策略对清洁机器人更好地避障有着很重要的作用。

[1] 张建龙,刘晓玉,李立华.基于模糊控制的清洁机器人避障系统[J].机床与液压,2014(18):92-95.

[2] 朱常琳,马浩全,郭光辉.一种移动机器人的路径规划与路径跟踪控制[J].兰州铁道学院学报, 2003(1):118-122.

[3] 顾霄.基于ARM的地理电缆故障检测方法与分析[D].石家庄：河北科技大学,2013.

[4] 袁曾任,高明.在动态环境中移动机器人导航和避碰的一种新方法[J].机器人,2000,22(2):81-88.

[5] 周学益.清洁机器人全区域覆盖路径算法与避障控制研究[D].重庆:重庆大学,2007.

ID:1003-188X(2018)02-0070-EA

Design and Research of Automatic Barn Cleaner Path Planning

Yao Lihui1, Cai Xiaohua2, Tian Lei1, Hou Yuntao2

(1.Heilongjiang Bayi Agriculture university, Daqing 163319, China; 2.Scientific Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang, Harbin 150081, China)

Abstract： This article is mainly to the barn to the structure of the cleaning robot and obstacle avoidance design, analysis and research for cleaning robot in the process of cleaning task encountered obstacles, as well as the path for the whole problem, to clean the robot’s motion mechanism and shape structure is analyzed. And the cleaning robot is the important equipment such as selection of motor, battery, the controller and so on. Through the study of the classification of obstacle. And combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles, and combining the circuitous path planning algorithm and relies on a wall or stall obstacles such as obstacle avoidance strategy. Achieve the full range of cleaning robot for the barn cleaning work. Experiments prove that the indirect type obstacle avoidance strategy based on obstacle classification design and relies on a wall or obstacle avoidance strategy design, kraal obstacle in cleaning robot plays a key role in the development process.

oxtall; cleaner; obstacle avoidance strategy; obstacle classification

2016-11-30

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B10)；黑龙江八一农垦大学研究生创新项目(2011150011)

尧李慧( 1993-)，女，安徽滁州人，硕士研究生，( E-mail)1834386316@qq.com。

蔡晓华( 1968-)，男，哈尔滨人，研究员级高级工程师，( E-mail)12369757@qq.com。

S817.3

A

1003-188X(2018)02-0070-05