公路劃線機劃線導向機器人的設計

1 引言

　　公路劃線機是用來在高等級公路及城市道路上劃各種路面標線的專用機械。在道路的養護過程中也用于在舊標線上劃新標線[1]。目前劃線機種類很多，它們分別應用于不同的場合，但其共同的特點都是先通過人工標線，然后進行機械噴涂。人工標線工作量大，且工作進度較慢，精度較差。針對這種現象本文介紹了公路劃線機劃線導向機器人，專門用于提供劃線機較準確的路線，減輕了人工標線的工作量，提高了劃線的準確度。

2 劃線導向機器人概述

　　劃線導向機器人的系統基本組成：導向控制系統、電機驅動履帶行走系統和涂料噴涂系統。本文劃線導向機器人主要用于公路中線的劃線導向，機器人兩端安裝有超聲波測距模塊，分別測量公路兩邊的公路沿到機器人的距離，通過西門子S7-200PLC軟件程序的處理后得出的信號來驅動直流電機的運動，使機器人快速地往中線上靠近，進而在中線上行進。當行進穩定后，涂料噴涂系統中的噴槍開始對地面噴灑涂料，給劃線機提供較準確的標線。機器人控制示意圖如圖1所示。

3 導向控制系統

　　導向控制系統基本組成：超聲波測距模塊和PLC控制單元。

　　超聲波測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。目前市場上出現的超聲波測距儀，可以稍加以改進，也可以滿足本文要求。目前的超聲波測距儀檢測距離可達到10m左右，遠遠滿足本文的要求。

　　本機器人左右兩端分別對稱安裝一個超聲波測距模塊，左右兩個傳感器同時向兩邊發射超聲波，通過比較左右傳感器發射接收的時間差值來判斷機器人是右偏還是左偏，進而控制驅動輪直流電機的運動，從而是機器人在公路的中線上行進。PLC控制單元在接收到兩邊超聲波測距模塊傳送的數據后，將兩組數據進行比較。如果右邊的數據較小，發出的超聲波在右邊返回的用時較短，則機器人偏向中線的右邊，那么右驅動輪比左驅動輪轉速快，如此不斷的調整，最后機器人位于公路中線上。穩定后，控制單元將此時的超聲波傳回的數據儲存在存儲區中，以后機器人的驅動輪速度就以此時的速度勻速行進，靠傳感器實時傳回的數據進行調整。調整范圍限制在一定的值域內，超過該值域時，電機才轉動開始調整機器人與中線的距離，使其盡快在中線上行進。

　　PLC控制單元軟件包括：主程序、讀超聲波測距模塊數據子程序和電機調整子程序。其程序流程圖如圖2所示。

4 電機驅動履帶行走系統

　　機器人的移動方式有輪式、步行式和履帶式。步行式結構設計復雜且移動緩慢，但步行機器人可以適應條件較差的路面。輪式結構機動性強，但卻只適用于平坦的地形。而履帶式結構具有運動平穩、爬坡能力強、不易傾倒等特點;克服了輪式移動機構越障能力、跨溝能力差及打滑等缺點[2-3]。

　　本文提出的劃線導向機器人應用于路況較好的公路，但考慮到本機器人是找尋公路的中線行走，輪式結構雖然機動性較好，但其在路面適應能力上遠不如履帶式移動方式。結合各種情況本機器人采用兩節并行履帶連接方式，其移動方式類似坦克的行走機構。兩邊的履帶安裝在前后輪上，后輪由直流電機驅動，通過履帶帶動前輪一起轉動。其結構示意圖如圖3所示。用履帶式結構機器人不僅可以直行，而且可以利用履帶的差動實現原地轉向。該結構簡單，不需要差動器，轉向機構等。控制方便，轉彎半徑小，電機既可以提供前進動力，也可以提供轉向動力[3]。

　　驅動輪直流電機選擇帶減速器的直流電機，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供電，還給控制單元供電。備用電池用于工作蓄電池損壞或突然無電的情況下。

5 涂料噴涂系統

　　劃線機按標線所使用的材料分為：冷漆劃線機和熱塑劃線機。冷漆劃線機即在常溫下進行噴漆，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。無氣噴式劃線機是利用專用高壓泵對漆施加10～15Mpa的壓力，然后通過噴槍噴涂于地面。熱塑劃線機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]。結合本文劃線機劃線導向機器人的應用重點是導向機器人給劃線機提供標線，所以導向機器人的涂料噴涂系統不會像劃線機上的噴涂系統那么復雜，只需要滿足能夠給劃線機提供可以識別的標線即可。

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

6 總結

　　與目前傳統的公路劃線機劃線過程相比，本機器人有以下幾個特點：第一，本機器人實行自主尋找中線方向，不需要人為操作。第二，本機器人給公路劃線機提供較精確的中線標線，不需要人工標線，大大地減輕了工人的工作量。第三，本機器人結構簡單，PLC控制系統穩定性較強，能適應于惡劣的野外環境。

　　本文創新點：將PLC用于控制系統，適用于環境惡劣的野外作業，穩定性強。應用了履帶式的移動結構，可應用于復雜的路況，機器人移動性能穩定。