摘 要：針對(duì)目前公路劃線機(jī)在劃線前先通過人工標(biāo)線，后進(jìn)行機(jī)械噴涂的缺點(diǎn)。本文提出了一種給公路劃線機(jī)提供標(biāo)線的劃線導(dǎo)向機(jī)器人。該機(jī)器人通過PLC控制單元處理超聲波傳感器傳來的信號(hào)，控制左右驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)的速度，使機(jī)器人在公路的中線上行進(jìn)噴涂。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，特別適合于環(huán)境惡劣的野外作業(yè)。

關(guān)鍵詞：公路劃線機(jī);劃線導(dǎo)向機(jī)器人;設(shè)計(jì);PLC;超聲波傳感器

Abstract：A new design of the line-oriented robot has been accomplished aimed to solve the problem of the way when the marking-lines machine works,which is used to mark lines after the manual marking. In order to make the robot walking along the middle line, the robot controls the speed of DC motor which equipped in the driving wheel by signals from ultrasonic sensor dealt with by PLC control unit.The robot has simple structure and it’s control system has stronger stability,which particularly suitable for the wild environment.

Keywords：Marking –lines machine;Line-oriented robot;Design;PLC;Ultrasonic sensor

1 引言

公路劃線機(jī)是用來在高等級(jí)公路及城市道路上劃各種路面標(biāo)線的專用機(jī)械。在道路的養(yǎng)護(hù)過程中也用于在舊標(biāo)線上劃新標(biāo)線[1]。目前劃線機(jī)種類很多，它們分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，但其共同的特點(diǎn)都是先通過人工標(biāo)線，然后進(jìn)行機(jī)械噴涂。人工標(biāo)線工作量大，且工作進(jìn)度較慢，精度較差。針對(duì)這種現(xiàn)象本文介紹了公路劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人，專門用于提供劃線機(jī)較準(zhǔn)確的路線，減輕了人工標(biāo)線的工作量，提高了劃線的準(zhǔn)確度。

2 劃線導(dǎo)向機(jī)器人概述

劃線導(dǎo)向機(jī)器人的系統(tǒng)基本組成：導(dǎo)向控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走系統(tǒng)和涂料噴涂系統(tǒng)。本文劃線導(dǎo)向機(jī)器人主要用于公路中線的劃線導(dǎo)向，機(jī)器人兩端安裝有超聲波測(cè)距模塊，分別測(cè)量公路兩邊的公路沿到機(jī)器人的距離，通過西門子S7-200PLC軟件程序的處理后得出的信號(hào)來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人快速地往中線上靠近，進(jìn)而在中線上行進(jìn)。當(dāng)行進(jìn)穩(wěn)定后，涂料噴涂系統(tǒng)中的噴槍開始對(duì)地面噴灑涂料，給劃線機(jī)提供較準(zhǔn)確的標(biāo)線。機(jī)器人控制示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制示意圖

3 導(dǎo)向控制系統(tǒng)

導(dǎo)向控制系統(tǒng)基本組成：超聲波測(cè)距模塊和PLC控制單元。

超聲波測(cè)距模塊一般包括硬件部分和軟件部分，硬件部分包括控制單元、超聲波傳感器、發(fā)射和接收電路等;軟件部分即是固定在控制單元中的程序。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的超聲波測(cè)距儀，可以稍加以改進(jìn)，也可以滿足本文要求。目前的超聲波測(cè)距儀檢測(cè)距離可達(dá)到10m左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本文的要求。

本機(jī)器人左右兩端分別對(duì)稱安裝一個(gè)超聲波測(cè)距模塊，左右兩個(gè)傳感器同時(shí)向兩邊發(fā)射超聲波，通過比較左右傳感器發(fā)射接收的時(shí)間差值來判斷機(jī)器人是右偏還是左偏，進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而是機(jī)器人在公路的中線上行進(jìn)。PLC控制單元在接收到兩邊超聲波測(cè)距模塊傳送的數(shù)據(jù)后，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果右邊的數(shù)據(jù)較小，發(fā)出的超聲波在右邊返回的用時(shí)較短，則機(jī)器人偏向中線的右邊，那么右驅(qū)動(dòng)輪比左驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速快，如此不斷的調(diào)整，最后機(jī)器人位于公路中線上。穩(wěn)定后，控制單元將此時(shí)的超聲波傳回的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)區(qū)中，以后機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪速度就以此時(shí)的速度勻速行進(jìn)，靠傳感器實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整范圍限制在一定的值域內(nèi)，超過該值域時(shí)，電機(jī)才轉(zhuǎn)動(dòng)開始調(diào)整機(jī)器人與中線的距離，使其盡快在中線上行進(jìn)。

PLC控制單元軟件包括：主程序、讀超聲波測(cè)距模塊數(shù)據(jù)子程序和電機(jī)調(diào)整子程序。其程序流程圖如圖2所示。

圖2 程序流程圖

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶行走系統(tǒng)

機(jī)器人的移動(dòng)方式有輪式、步行式和履帶式。步行式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜且移動(dòng)緩慢，但步行機(jī)器人可以適應(yīng)條件較差的路面。輪式結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但卻只適用于平坦的地形。而履帶式結(jié)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、爬坡能力強(qiáng)、不易傾倒等特點(diǎn);克服了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)越障能力、跨溝能力差及打滑等缺點(diǎn)[2-3]。

本文提出的劃線導(dǎo)向機(jī)器人應(yīng)用于路況較好的公路，但考慮到本機(jī)器人是找尋公路的中線行走，輪式結(jié)構(gòu)雖然機(jī)動(dòng)性較好，但其在路面適應(yīng)能力上遠(yuǎn)不如履帶式移動(dòng)方式。結(jié)合各種情況本機(jī)器人采用兩節(jié)并行履帶連接方式，其移動(dòng)方式類似坦克的行走機(jī)構(gòu)。兩邊的履帶安裝在前后輪上，后輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過履帶帶動(dòng)前輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。用履帶式結(jié)構(gòu)機(jī)器人不僅可以直行，而且可以利用履帶的差動(dòng)實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要差動(dòng)器，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等?？刂品奖?，轉(zhuǎn)彎半徑小，電機(jī)既可以提供前進(jìn)動(dòng)力，也可以提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力[3]。

驅(qū)動(dòng)輪直流電機(jī)選擇帶減速器的直流電機(jī)，電壓為24V。蓄電池的電壓為24V，包括工作蓄電池和備用蓄電池。工作蓄電池不僅給直流電機(jī)供電，還給控制單元供電。備用電池用于工作蓄電池?fù)p壞或突然無電的情況下。

圖3 履帶式移動(dòng)方式結(jié)構(gòu)示意圖

5 涂料噴涂系統(tǒng)

劃線機(jī)按標(biāo)線所使用的材料分為：冷漆劃線機(jī)和熱塑劃線機(jī)。冷漆劃線機(jī)即在常溫下進(jìn)行噴漆，它有兩種類型，即氣噴涂式和無氣噴涂式。氣噴涂是靠壓縮空氣將漆霧化，然后通過噴槍嘴噴涂于地面。無氣噴式劃線機(jī)是利用專用高壓泵對(duì)漆施加10～15Mpa的壓力，然后通過噴槍噴涂于地面。熱塑劃線機(jī)是將熱熔油漆或熱熔塑料（有顆粒狀和塊狀兩種）在熱熔罐中加熱至使用溫度后，再通過劃線裝置劃于地面的。其劃線裝置的劃線方式分為：刮涂式、擠壓式和噴涂式[4]。結(jié)合本文劃線機(jī)劃線導(dǎo)向機(jī)器人的應(yīng)用重點(diǎn)是導(dǎo)向機(jī)器人給劃線機(jī)提供標(biāo)線，所以導(dǎo)向機(jī)器人的涂料噴涂系統(tǒng)不會(huì)像劃線機(jī)上的噴涂系統(tǒng)那么復(fù)雜，只需要滿足能夠給劃線機(jī)提供可以識(shí)別的標(biāo)線即可。

本文涂料噴涂系統(tǒng)采用冷塑無氣噴式，即在常溫下利用專用高壓泵和噴槍進(jìn)行噴漆的方法。其基本組成有：高壓泵、涂料箱、噴槍及其控制噴槍的電機(jī)。涂料噴涂工作過程：高壓泵向涂料箱中進(jìn)行加壓，當(dāng)控制噴槍的電機(jī)得到控制單元的指令時(shí)，電機(jī)開始工作并使噴槍噴出涂料。本系統(tǒng)安裝在履帶式底盤后部，噴槍安在中線上，機(jī)器人行走時(shí)，噴槍對(duì)準(zhǔn)地面進(jìn)行噴漆。

6 總結(jié)

與目前傳統(tǒng)的公路劃線機(jī)劃線過程相比，本機(jī)器人有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第一，本機(jī)器人實(shí)行自主尋找中線方向，不需要人為操作。

第二，本機(jī)器人給公路劃線機(jī)提供較精確的中線標(biāo)線，不需要人工標(biāo)線，大大地減輕了工人的工作量。

第三，本機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，能適應(yīng)于惡劣的野外環(huán)境。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將PLC用于控制系統(tǒng)，適用于環(huán)境惡劣的野外作業(yè)，穩(wěn)定性強(qiáng)。應(yīng)用了履帶式的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于復(fù)雜的路況，機(jī)器人移動(dòng)性能穩(wěn)定。

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