基于SLAM的柏油马路智能清扫机器人

王勇祺 吕茵 董宇 宋晓霖 李岩松

摘要：路面养护机械化程度的高低，是一个城市现代程度和综合实力强弱的重要标志之一。针对国内的环卫清洁现状， 本团队研究出一种柏油马路智能清扫机器人，主要解决道路的清洁问题以及如何能摆脱人力的局限性，通过ROS机器人操作系统视觉SLAM和雷达SLAM技术完成机器人对道路模拟地图的构建，从而自动完成对清扫机器人的路径规划问题，使机器人可以自主的规划路径对道路进行全方位清理。

关键词：路面养护;城市环保;智能型清扫;自主规划路径

1  研究背景

城镇化率提升带来道路清扫保洁面积高速增长。随着我国近年来经济快速发展以及国家对基础设施建设的大力投入，我国城镇化率稳步提升，同时人民对于保洁卫生的需求也不断增大。全国城市道路清扫面积数据预测，城市道路清扫保洁面积从2006年的32.48亿平方米增长到2018年的111.18亿平方米，复合增长率约为9.42%。预计随着城镇化率的提升，未来五年城市清扫保洁面积增速继续保持在5%左右，道路清扫刻不容缓。

2  设计原理

2.1 设计思路

本产品主要目的是设计一款针对道路清扫的机器人，对道路进行高效清扫，达到维护路面整洁的功能。该机器人可以自主清扫路面，不需要人工的干预，通过获取道路、车辆位置和障碍物信息，可以应对多种突发情况并进行有效避障。通过使用STM32单片机作为中心控制系统，利用串口通信进行数据间的传递。利用ROS机器人操作系统雷达SLAM和视觉SLAM感知完成对道路虚拟三维地图的构建，并将构建的虚拟地图显示在系统终端，然后经过数据处理将图像显示在PC上位机中，该机器人可以进行智能型清扫，自主规划路线进行清扫，当清扫完成后自主回到停放区域。

2.2 研究方法

2.2.1 STM32控制系统

本产品的设计一款针对城市柏油马路的智能清扫机器人。利用STM32单片机作为控制中心，结合清扫系统，运动系统，三维场景模拟系统对城市路面情况复杂的柏油马路，进行高效清扫，高效节能，维护城市道路的整洁。同时利用车载传感器来感知车辆周围环境通过感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使安全、可靠地道路上行驶。

2.2.2 电路设计

Ros机器人操作系统（图3、图4）。

通过ROS机器人操作系统视觉SLAM和雷达SLAM技术完成机器人对道路地模拟地图的构建，从而自动完成清扫机器人的路径规划问题，通过算法分析进行路径规范，精准避障，自主导航等功能，使机器人可以自动地规划路径，实现路径导航，顺利变道、精准转弯，从而对道路进行全方位清理。

2.2.3 整体结构概述

整体结构设计（图5、图6）。

该产品结构主要由多过滤式螺旋离心吸尘系统、一体式单电机多传动系统、单自由度链条清扫器、多级式泵水系统、万向蜗轮蜗杆传动机构、后部螺旋垃圾收集器、多通道高压喷雾系统、行进轮传动结构、底部单滚刷活动式吸尘器等构成。该产品创新结构主要针对与道路这类特殊材质地形的清扫，极大地提高了清扫效率及清扫效果。

3  创新特色

①智能取代人工，省时省力。利用ROS机器人操作系统的路径规划和模拟地图构建技术，取代传统费时费力的人工清扫，实现了智能型机器人的功能，也极大地方便了人们的生活以及工作效率。

②功能创新，运动清扫一体化，自主导航。利用机器视觉的图像处理及三维场地恢复技术结合雷达SLAM技术，实现了机器人对整个的道路场景的分析，规划出最优的路线对道路进行清扫。

4  應用前景（结语）

随着城市道路的不断扩展，城市化规模不断扩大，人流车流的增大，道路垃圾越来越多、出现的频率越来越快。道路运营过程中，道路垃圾不仅影响道路的路容路貌，不利于环保，且增加了养护职工的工作难度，更给道路安全通行埋下了重大隐患。本团队研究出的道路清扫机器人作业方便，清扫效率高，除尘效果好并且作为环卫设备之一，可广泛利用于干线公路，市政以及机场道面等道路清扫，未来前景良好。

参考文献：

[1]胡正伟.清扫机器人定位及路径规划研究[D].燕山大学，2010.

[2]凌双明.基于atmega128清扫机器人的控制系统设计与研究[D].湖南大学，2014.

[3]陈永芳，陈辉堂，蒋平.移动机器入全局最优规划的研究[D].同济大学学报，1999（27）：15-18.