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视觉扫地机的研究设计
2014-09-13 来源:
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一、设计目的

    带视觉功能的智能扫地机是以环卫机械为目标而研制的,它集图像采集、数据处理、智能控制和机电装置为一体,其外形结构如图1所示。

   

二、工作原理

    带视觉功能的智能扫地机由车身、车轮、清扫机构、车轮驱动机构、转向机构、避震机构、图像采集装置和控制系统等组成。智能扫地机能在一定范围内观察到烟蒂或废纸团等浅色小体积垃圾,控制系统针对采集到的图像进行甄别,并自行规划行进路线,从而驱动小车驶向应清扫的垃圾,由清扫机构执行清扫任务。

三、设计方案

    智能扫地机的控制系统采用了分层控制策略:以微型计算机(上位机)作为控制中心进行图像处理和运算,由单片机(下位机)作为控制的桥梁,根据采集的图像数据,上位机中运用VB软件编制的智能控制程序实时进行图像处理和识别,并将推理结果送往下位机,从而对小车行进路线进行实时控制。

    智能扫地机的图像采集装置采用数字摄像头,它可以直接捕捉影像,然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。相对模拟摄像头,它因节省了由视频捕捉卡的A/D转换过程而使图像处理与分析的速度更快,能满足智能扫地机在行进中进行图像处理的实时性要求。图像采集装置支架可通过前端(参见图1)增减垫块而调节视觉范围。

    智能扫地机的前进或后退由车轮驱动机构实现;其行驶方向由转向机构接受智能控制系统的指挥向左或向右转而实现。车轮驱动机构工作原理是:电机通过同步齿形带以驱动车轮;转向机构工作原理是:电机通过齿轮齿条带动两根转向臂使前轮转向(参见图2)。

    智能扫地机的清扫机构由电机、清扫刷、簸箕和垃圾储存箱组成。为了避免水平旋转的清扫刷将扫进的垃圾又带出,在该机构中采用垃圾经斜板簸箕至垃圾储存箱后有一定落差的方式(参见图3)。为此,通过多次实验,选用尼龙丝制作清扫刷。制成的尼龙清扫刷对垃圾有一定的刚度,而在转动中与斜板簸箕接触高度逐渐增高时又体现出一定的柔性,能满足上述清扫方式的需要。

   

四、功能及主要创新点

    带视觉功能的智能扫地机具有自行规划行进路线的功能,从而能驱动扫地机驶向应清扫的垃圾,完成清扫任务。其智能控制程序还具有仿真功能,即在关闭图像采集装置时,能根据人为设定的需清扫的垃圾的方位而自行规划小车的行驶路径,以便于机电联机调试。本作品具有以下主要创新点:

    1.面对对象的路径规划

    本系统利用摄像头采集并识别废物位置信号从而规划扫地机的行进路线,而不是传统的面对程序的顺序路径规划或用红外反射式光电传感器等的寻找固定轨迹的方式。

    2.二维运算一维判定

    为满足智能扫地机控制的实时性要求,在建立数字控制数学模型时遵循了“奥克姆剃刀(OckhamsRazor)”原则,故创新运用二维运算一维判定方法,以解决对于图像处理智能小车设计所必定面对的数据处理速度的难点。

    3.机械结构三维设计和自主制作

    机械结构设计中运用Pro/EngineerWildfire3.0软件进行三维参数化设计和在装配环境中进行自上而下的设计和干涉检查。智能扫地机中绝大多数零部件由参赛学生自主制作、装配和调试,并通过多次试验,选择合适的材料(如构造清扫刷的尼龙丝)。

五、作品外形照片

   

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