基于SLAM的柏油馬路智能清掃機器人

王勇祺 呂茵 董宇 宋曉霖 李巖松

摘要：路面養護機械化程度的高低，是一個城市現代程度和綜合實力強弱的重要標志之一。針對國內的環衛清潔現狀， 本團隊研究出一種柏油馬路智能清掃機器人，主要解決道路的清潔問題以及如何能擺脫人力的局限性，通過ROS機器人操作系統視覺SLAM和雷達SLAM技術完成機器人對道路模擬地圖的構建，從而自動完成對清掃機器人的路徑規劃問題，使機器人可以自主的規劃路徑對道路進行全方位清理。

關鍵詞：路面養護;城市環保;智能型清掃;自主規劃路徑

1? 研究背景

城鎮化率提升帶來道路清掃保潔面積高速增長。隨著我國近年來經濟快速發展以及國家對基礎設施建設的大力投入，我國城鎮化率穩步提升，同時人民對于保潔衛生的需求也不斷增大。全國城市道路清掃面積數據預測，城市道路清掃保潔面積從2006年的32.48億平方米增長到2018年的111.18億平方米，復合增長率約為9.42%。預計隨著城鎮化率的提升，未來五年城市清掃保潔面積增速繼續保持在5%左右，道路清掃刻不容緩。

2? 設計原理

2.1 設計思路

本產品主要目的是設計一款針對道路清掃的機器人，對道路進行高效清掃，達到維護路面整潔的功能。該機器人可以自主清掃路面，不需要人工的干預，通過獲取道路、車輛位置和障礙物信息，可以應對多種突發情況并進行有效避障。通過使用STM32單片機作為中心控制系統，利用串口通信進行數據間的傳遞。利用ROS機器人操作系統雷達SLAM和視覺SLAM感知完成對道路虛擬三維地圖的構建，并將構建的虛擬地圖顯示在系統終端，然后經過數據處理將圖像顯示在PC上位機中，該機器人可以進行智能型清掃，自主規劃路線進行清掃，當清掃完成后自主回到停放區域。

2.2 研究方法

2.2.1 STM32控制系統

本產品的設計一款針對城市柏油馬路的智能清掃機器人。利用STM32單片機作為控制中心，結合清掃系統，運動系統，三維場景模擬系統對城市路面情況復雜的柏油馬路，進行高效清掃，高效節能，維護城市道路的整潔。同時利用車載傳感器來感知車輛周圍環境通過感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，從而使安全、可靠地道路上行駛。

2.2.2 電路設計

Ros機器人操作系統（圖3、圖4）。

通過ROS機器人操作系統視覺SLAM和雷達SLAM技術完成機器人對道路地模擬地圖的構建，從而自動完成清掃機器人的路徑規劃問題，通過算法分析進行路徑規范，精準避障，自主導航等功能，使機器人可以自動地規劃路徑，實現路徑導航，順利變道、精準轉彎，從而對道路進行全方位清理。

2.2.3 整體結構概述

整體結構設計（圖5、圖6）。

該產品結構主要由多過濾式螺旋離心吸塵系統、一體式單電機多傳動系統、單自由度鏈條清掃器、多級式泵水系統、萬向蝸輪蝸桿傳動機構、后部螺旋垃圾收集器、多通道高壓噴霧系統、行進輪傳動結構、底部單滾刷活動式吸塵器等構成。該產品創新結構主要針對與道路這類特殊材質地形的清掃，極大地提高了清掃效率及清掃效果。

3? 創新特色

①智能取代人工，省時省力。利用ROS機器人操作系統的路徑規劃和模擬地圖構建技術，取代傳統費時費力的人工清掃，實現了智能型機器人的功能，也極大地方便了人們的生活以及工作效率。

②功能創新，運動清掃一體化，自主導航。利用機器視覺的圖像處理及三維場地恢復技術結合雷達SLAM技術，實現了機器人對整個的道路場景的分析，規劃出最優的路線對道路進行清掃。

4? 應用前景（結語）

隨著城市道路的不斷擴展，城市化規模不斷擴大，人流車流的增大，道路垃圾越來越多、出現的頻率越來越快。道路運營過程中，道路垃圾不僅影響道路的路容路貌，不利于環保，且增加了養護職工的工作難度，更給道路安全通行埋下了重大隱患。本團隊研究出的道路清掃機器人作業方便，清掃效率高，除塵效果好并且作為環衛設備之一，可廣泛利用于干線公路，市政以及機場道面等道路清掃，未來前景良好。

參考文獻：

[1]胡正偉.清掃機器人定位及路徑規劃研究[D].燕山大學，2010.

[2]凌雙明.基于atmega128清掃機器人的控制系統設計與研究[D].湖南大學，2014.

[3]陳永芳，陳輝堂，蔣平.移動機器入全局最優規劃的研究[D].同濟大學學報，1999（27）：15-18.