隧道反光环清洗机器人的设计与实验研究

沈玉频，李玉寒，首照宇，赵晖

(1.贵州省公路开发有限责任公司黔南营运管理中心，贵州黔南 558000；2.桂林电子科技大学教学实践部，广西桂林 541004；3.桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林 541004)

0 前言

近年来，隧道反光环作为降低隧道照明用电量及诱导驾驶员行车效果的有效措施，已在长隧道及特长隧道中广泛应用[1-2]。隧道反光环安装于隧道内轮廓，通常由铝板或不锈钢板制成，迎向行车方向上粘贴高性能白色或黄色反光条，其工作原理为：隧道反光环接收到进入车辆的灯光后，利用其反光条将光线逆反射产生照亮隧道的光线，最终在隧道内显示为一个半圆的拱形光圈[3]。根据贵州、广西等省(区)的实验可知，通过在隧道内部设置反光环，隧道内的行车诱导效果得到较大改善，产生了良好的安全效益及经济效益[4]。

在隧道中设置反光环，虽然可以诱导车辆行驶、改善隧道的安全行驶环境、节省隧道的照明用电量，但是在长时间使用过程中，灰尘等细小颗粒的覆盖导致反光环反光效果下降甚至不反光，因此需要定期对反光环进行清洗。目前清洗反光环时只能将车道封锁，人工乘坐升降车清洗，导致清洗效果差、效率低、成本高，加剧了隧道内的安全隐患。隧道反光环清洗困难的问题鲜有深入研究，一直未得到有效解决。本文作者设计了一种隧道反光环清洗机器人，该机器人集自主行走和自动清洗功能于一体，在保证隧道车辆正常通行的情况下，只需将机器人安装于反光环底部，机器人可自主沿反光环行走，实现对隧道反光环的自动清洗，具有清洗效果好、效率高的优点，可以大大降低反光环的运行维护成本。

1 总体设计

隧道反光环清洗机器人是一个集机械、电子、控制于一体的系统，由3个部分与9个模块组成，如图1所示。3个部分是指机械部分、控制部分和传感部分；9个模块是机械部分的主框架、行走机构、清洗机构，控制部分的传感响应模块、驱动模块、遥控模块和电源模块，传感部分的终点检测器和边缘检测器。

图1 隧道反光环清洗机器人组成

2 机械部分设计

2.1 主框架部分设计

经过隧道实地考察了解到，隧道弧顶位置设有灯具线槽，线槽和反光环远离墙壁一侧之间的距离最近只有5 cm，如图2所示，这就要求机器人的主框架侧边必须足够狭窄，才能顺利通过该位置，因此，此机器人采用Π形主框架结构，如图3所示。

图2 隧道反光环真实安装情况

图3 Π形主框架结构

该Π形主框架结构包括主板、侧板以及板上加强筋等，采用钢板拼焊而成。Π形机架结构具有结构稳定、刚度高、侧板薄等优点，使得该机器人在使用时能够较好地夹紧反光环并稳定行走，且能够顺利通过灯具线槽与反光环之间狭窄缝隙。

2.2 行走机构设计

隧道反光环是由一块块反光板拼接安装形成，每块反光板均是通过两块直角铝板固定在隧道的墙壁上，直角铝板和反光板通过8个铆钉连接，因此直角铝板的厚度和铆钉的凸起就造成反光板背面会有8 mm左右的厚度增加，如图4所示。

图4 反光环安装铆钉

为了使该机器人能始终紧紧贴合在反光环上，隧道反光环清洗机器人的行走机构采用轮式爬行机构[5-6]。该行走机构主要由驱动电机、主同步轮、从同步轮、同步带、块状底纹橡胶轮组成，如图5所示。不仅使用了块状底纹橡胶轮，并设计了弹簧越障装置，以保证橡胶轮对反光环的夹紧力，使得该机器人能够顺利通过反光环上凸起的铆钉、阶梯状反光环等障碍。

图5 行走机构

2.3 清洗机构设计

隧道反光环清洁机器人的清洗装置包括旋转圆盘清洗刷和下压式弹性清洗刷两部分。旋转圆盘清洗刷由驱动电机(带电机架)、舵盘、圆盘刷组成，如图6所示。该机器人在反光环上工作时，圆盘清洗刷由驱动电机驱动对反光环进行清洁，同时旋转运动方式又能降低该机器人在反光环上的行走阻力。

图6 旋转圆盘清洗刷

由于旋转圆盘清洗刷存在清洁死角，所以增加了下压式弹性清洗刷以达到对死角进行有效清洁的效果。该下压式弹性清洗刷由清洗刷支架、拉簧、清洗刷组成，如图7所示。并且在圆盘刷和清洗刷外侧边缘都有一定的上翘弧度，使其能够顺利通过两反光板交叠位置。为了实现该机器人在反光环两端往复清洗以及加强清洁效果，在该机器人两端均安装了相同的清洗装置。

图7 下压式弹性清洗刷

3 控制部分设计

此机器人选用STM32F103C8T6单片机为核心控制器[7]，构成单片机控制电路，结合TB6612驱动芯片、HC-06蓝牙模块和电源电路组成控制系统，控制隧道反光环自动清洗机器人在反光环上自动行走，并且对反光环进行清洗，必要时刻也可以通过遥控器对其进行控制，实现人为的定向清洗。遥控器是由一对HC-06蓝牙互联实现的，在隧道中可以稳定工作。系统框图如图8所示，其系统构成稳定，运行状态良好，达到对隧道反光环清洗机器人的控制目的。此系统可广泛应用于机器人控制领域，实现对机器人的自动控制或人工控制。

图8 系统框图

4 传感部分设计

由于隧道反光环呈圆弧形安装效果，为使机器人运行过程中不掉落，机器人必须沿着反光环的弧线行走。在机器人靠近反光环内侧一端，安装前后两组边缘检测传感器，当检测到机器人脱离反光板边缘处时，控制机器人外侧轮子转速大于内侧轮子转速，依靠差速原理实现机器人向隧道内壁方向转向，从而实现机器人沿着整个反光环的弧线路径行走。

边缘检测传感器选用微型对射NPN型光电开关。当一端的红外线被另一端接收，传感器返回高电平；当一端的红外线被障碍物遮挡，传感器返回低电平。这里的障碍物就是隧道的反光环。当机器人运行脱离反光环边缘时，控制器会检测到传感器返回值，为此改变机器人的电机速度来调整机器人在反光环上的运行路线。微型对射NPN型光电开关的收发原理如图9所示。

图9 微型对射NPN型光电开关原理

5 基于ANSYS Workbench的主框架变形分析

此机器人能否在隧道反光环上安全稳定地运行取决于主框架的刚度和质量。确定了清洗系统主框架结构后，利用ANSYS Workbench进行仿真分析[8]。网格大小为1 mm。在主框架两侧板顶端分别施加相反的拉力，拉力方向垂直于侧板平面，大小为20 N。对隧道反光环清洗主框架进行如下分析：(1)板材不同厚度对框架受力变形的影响。材料统一为201不锈钢，厚度分别设置1、1.5、2、2.5、3 mm，不同厚度总变形位移云图如图10所示(以1.5、2 mm为例)。

图10 不同厚度总变形位移云图

不同厚度的框架在受力大小、方向以及网格大小相同的条件下，厚度成为唯一变量。对比图10可得出：随着厚度增加，框架的总变形位移量在不断减少。但是厚度增加，质量必然随之增加，在可接受的变形范围内，主框架选择2 mm的厚度。

(2)不同材料对框架受力变形的影响。厚度统一为2 mm ，材料分别选择201不锈钢、铸铁、铝合金。

分析图11可得：201不锈钢、QT600铸铁、2024铝合金3种材料的弹性模量依次递减，所以总变形的最大值依次增大。因此，此清洗系统主框架选择2 mm厚度的201不锈钢板加工制作。

图11 不同材料总变形位移云图

6 实验样机搭建及验证

依据机器人各部分理论分析与仿真计算，研制一套隧道反光环清洗机器人样机，样机总质量6.2 kg，分别在实验室和贵州省都匀段高速隧道真实环境下进行了清洗实验，如图12所示。图12(a)中机器人由点1向上运行至点2，又由点2向下运行至点3，往复清洗效果良好；图12(b)中机器人由点1向上运行至点2，由点2继续向上运行至点3，直到完成整个隧道反光环的清洗。

图12 实验样机在实验室和真实隧道环境下的测试

7 结论

(1)设计了一种隧道反光环清洗机器人，该机器人以橡胶轮对称夹紧方式行走，利用电机差速原理进行转弯动作，实现了机器人在隧道反光环上进行清洗作业。

(2)介绍了机器人的机械部分、控制部分、传感部分的设计，重点分析了机器人主框架的静力学变形问题，并利用数值分析，得知选用201不锈钢材料、厚度为2 mm时，主框架刚度可以满足要求，且自重较轻。

(3)通过搭建样机进行实验，验证了机器人在真实隧道环境中能够安全可靠地行走；在实际清洗过程中，通过往复行走清洗，可以达到预期清洗效果。该分析结果为隧道反光环清洗机器人的设计和优化提供了基础。