手推式洗地机智能化改造研究

褚明杰

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110168）

0.引言

2020年，受新冠疫情影响，市场对商业清洁机器人需求旺盛，商用清洁机器人在机场、医院、办公区等多个应用场景加速落地。然而由于商用清洁机器人应用规模较小，价格相对手推式洗地机或有人驾驶洗地机要贵很多，不利于商业化推广。

基于此，本文提出了对手推式洗地机进行智能化改造的方案。在手推式洗地机上加装激光雷达、声呐、电机、控制器等智能化部件，使改造后的洗地机能够自主导航、自动清洁场地，且可定时定点工作，摆脱工作时段及人工操作的限制。以低于商用自动清洁机器人的成本，实现其主要功能的智能化改造。

1.改造方案

1.1 需求分析

目前用于商用自动清洁场景的机器人主要有以下3个功能：（1）自动清洁，脱离人工操作，自主完成路面或地面的清扫、洒水等工作；（2）自主导航，机器人通过激光SLAM技术沿自动规划路线行走同时清洁行走过的路线[1]；（3）云端功能，可通过云端管理机器人，实时读取机器人状态数据进行分析及设备异常预警，并生成清洁任务报告反馈。

1.2 改造方案

手推式洗地机主要分为拖线式、电瓶式及自走式3类。拖线式没有电瓶，需要插电工作。电瓶式里面有电池，可以脱开电源工作，工作范围较大。自走式安装有行走电机，清洁效率和工作范围都要更优。还有些以根据工况手动调节刷盘下压的压力及行走速度，达到最佳清洁效果。如图1所示，手推式洗地机的控制系统主要分为3部分。操作面板安装有一些模拟量控制旋钮，并将控制信号转接到控制板，控制板内有控制及功率放大电路，控制水泵、电机等设备。整个系统由电池或插线供电，电池由充电器充电。虚线部分为自走式及更高级手推洗地机具备的功能。整个系统的控制全部为手动操作。

图1 手推式洗地机系统架构

对手推式洗地机改造的方案是尽量保留原有电气执行设备，加装机器人智能化相关硬件板卡及传感器。如图2所示，增加机器人控制器、电机驱动器、电量监控板及用清洁控制板替换原有洗地机控制板。各板卡及控制器通过CAN接口组成CAN网络。

图2 改造系统框图

机器人控制器是整个控制系统的核心，需要运行激光SLAM算法，对计算能力有较高要求，所以选用J1900为处理器的单板电脑。且具有双网卡且可通过PCIe扩展WiFi及4G模块。主要用于实现机器人自主导航定位、避障、自动回充及控制洗地机各电气设备完成自动清洁等功能。为实现自主导航，需在洗地机上加装激光雷达、深度视觉传感器及声呐传感器。激光雷达具有测量功能，可将距离和角度信息输出给机器人控制器，用于建立轮廓地图及实时导航定位。声呐传感器及深度视觉传感器安装在机器人前方及侧前方，可探测机器人前方2m以内障碍物，用于补偿激光雷达扫描盲区。机器人控制器通过以太网及USB等接口，将获取到的多传感器信息进行数据融合解算，生成机器人自主规划路径，并控制电机完成机器人自主运动导航行走。

用清洁控制板替换手推式洗地机控制板。该板卡主要接收机器人控制器指令，并对刷盘、挂耙、水泵等清洁设备进行控制。在整个改造后的系统中，该板卡通过CAN总线与其他板卡进行通信。如图3所示，板卡主控芯片采用TI 28035 DSP芯片，其自带片上232和CAN通信接口，可以满足板卡对外通信的功能。还通过自带的SPI接口，在板卡上与EEPROM存储芯片通信，用于存储洗地机各电气设备的控制状态。刷盘电机、真空泵和净水泵通过输出24V电压供电。AD模块采集这3个设备工作电流，并通过对反馈电流的检测，来决定是否继续供电。刷盘升降推杆和刮降升降推杆均采用电缸来进行升降，DSP采用PWM波的方式进行24V换向输出，控制电缸的升降。同时，DSP的QEP电路模块采集电缸反馈的相位差为90°的A、B两路脉冲方波，计算出电缸的位置，并对电缸的运动进行控制。

图3 清洁控制板架构

手动洗地机根据配置不同，会不配或配有一个行走电机，无法实现差速旋转，且没有里程计等反馈装置，无法满足自主导航需要，所以将此部分电机及轮子整体替换为电机及外轮设计一体化的伺服电动轮，具有伺服电机高精度的优良特性，不需要减速箱，安装极其方便。且低速特性突出，平稳性好，最低速度可达±1rpm，相比传统无刷+减速机方案，由于没有减速箱，静音效果非常好。伺服电动轮的控制采用带CAN接口的一拖二型驱动器，节省空间。

手推式洗地机一般只配有铅酸电池且没有BMS，无法精确计算电量[2]。本文中将铅酸电池更换为三元锂电池。考虑自动化改造后清洁效率会有较大提高，且低电量时可自动回充，充满电后再继续执行清洁任务，不需人工干预。可将锂电池容量适当减小，并增加集成BMS的电量监控板，精确监控电池电量。且将开机启动按钮和急停按钮接入到电量监控板，实现洗地机的上电逻辑控制。电量监控板卡主要包括电量监测采集板与电量监测CPU板两块板卡。其中电量监测采集板主要包含电流检测、电压检测、板卡电源上电控制、上电软启动控制、机器人系统上下电控制等功能；电量监测CPU板主要包含电流检测调理、电压检测调理、温度检测、上电逻辑控制、参数存储、通讯等功能。

本方案中还设计有充电站，智能化改造后的洗地机在电量低时可以自主回充[3]。充电站内部电路主要分为两部分，一部分为开关电源板卡，主要功能是将220V/AC转换成32VDC/15A的直流电源；另一部分为控制板卡，主要是利用恒流模块（LT3741）将输出电压、电流限制在30VDC/15A以匹配电池充电的电流、电压，并利用热插拔模块（MIC2586X）控制输出电流渐进式上升，防止接触电流过大对洗地机本体电气部件产生冲击。

为使手推式洗地机具备云端功能，在远程云端可以实时看到机器人状态信息等。需通过机器人控制器的PCIe接口扩展无线网卡，通过4G或WiFi连接外网访问云端服务器。另外机器人控制器还通过一个有线网口接无线路由器扩展WiFi热点，可通过手机App遥控机器人，并建立清洁作业。

2.结论

本文分析了商用自动清洁机器人的基本功能，并提出了一种基于手推式洗地机智能化改造的方案，可以用较低的成本实现自动清洁机器人的基本功能。对商用自动清洁场景的加速推广也是一种有益的探索。