基于单片机的远程可控人工智能磨光机设计

李元勇　张坤　毛理想　张杰

摘 要：磨光机广泛应用于道路建设、建筑工地、桥梁工程、室内工程等场合。传统的磨光机均需要人工操作，并且存在工作效率低、人工成本高、使用安全性较差等问题，特别在高楼楼顶等特殊工作场合操作的便捷性和安全性极差。虽然现在市场上已有驾驶型磨光机，但由于其体积过于庞大，仅仅适合在打磨面积较大的水平地面之上工作，不能在高楼楼顶等相对特殊的工作地点使用，而且机器的运输也比较麻烦，使用便捷性较差。为了解决上述现有磨光机存在的一系列问题，对市场上使用最普遍的两种磨光机技术进行了深入分析，在相关理论研究基础之上，提出并设计了远程可控人工智能磨光机方案。设计的方案能够通过基于单片机的控制系统实现手机远程操控磨光机启停及运动等相关工作，磨光机的运动是通过磨光机主体四个方向上风扇的摆动和自身转动实现的。磨光机顶部装有360°方向摄像头，可以通过远程控制实时向手机传输工作环境的视频信息，可以在高楼楼顶或者是比较狭小的工作环境进行磨光工作，大大的減少了因工人操作和工作环境等问题带来的安全隐患，具有体积小、使用便捷、适应性强、工作效率高以及使用范围广的特点。

关键词：磨光机 远程控制 人工智能 单片机

1 引言

近年来，磨光机的应用十分广泛，涉猎交通、建筑等多行业。在相关行业繁重的工作负荷下，为了进一步提高工作效率，减少工人工作负担，国内外学者和相关企业对智能磨光机的设计研究一直不曾间断，驾驶型磨光机早已投放国内市场，这种磨光机工作效率大幅提高，但因体积庞大，在高空工作时存在运输困难以及安全问题，适用范围比较局限，且生产成本较高。国外市场也曾有类似我国驾驶型磨光机的机型出现过，还有相关人士提出了设计全智能磨光机的想法，但迄今为止没有投放市场，并且国外研究侧重提高装置工作效率，在磨光机适用范围方面没有过多改进。

目前，市场所用磨光机大都仍需要人工来操作机器，虽有稍微改进，但没解决操作繁琐、效率低下的本质问题，特别是高空作业用磨光机。从上述的问题可以得知，现在的建筑行业、交通行业均需要一种可以代替人工操作的智能磨光机。为解决上述问题，本文设计了一款基于单片机的远程可控人工智能磨光机。

2 现有磨光机技术分析

2.1 传统手推式磨光机

手推式磨光机体积适中，现今应用最广泛，但需要人工进行操作，不仅加大了工人的工作强度，而且工人在操作过程中容易出现一些安全问题，工作效率也比较低，不够快捷智能。

2.2 驾驶型磨光机

驾驶型磨光机工作效率大幅提高，但因体积庞大，不适应于高空工作，且生产成本较高。在相关行业繁重的工作负荷下，相关企业已批量生产驾驶型磨光机。而对于高楼建筑所用磨光机，虽有稍微改进，但没解决操作繁琐、效率低下的本质问题。图1所示为两种不同类型传统磨光机的结构示意图。

3 远程可控人工智能磨光机的方案设计

为了解决上述问题，本磨光机拟采用智能控制技术和无线传输技术，设计一款基于单片机的远程可控人工智能磨光机。研究内容主要是对人工智能磨光机的运动系统和控制系统两方面进行设计。远程可控人工智能磨光机的技术路线，如图2所示。

3.1 远程可控人工智能磨光机的组成

本磨光机由磨光机本体（包括小型汽油机、工作磨盘等）、360°方向摄像头、4个可转动风扇、可升降支撑板、电机、单片机及辅助部件等主要部件组成。人工智能磨光机的三维结构如图3所示。

360°方向摄像头，安装在磨光机的中心顶部位置，用于实时拍摄磨光机工作环境状况，以便于操作者远程控制磨光机进行相应的工作。可转动风扇，安装在磨光机本体的四个不同方向上，用于给磨光机的移动提供相应的动力。单片机及辅助部件，安装在磨光机本体上方的固定位置，用于向操作者发送360°摄像头拍摄的画面、接受分析来自操作者的远程控制指令，并且控制磨光机各个部件的工作状态。可升降支撑板，安装在风扇的下方，用于控制风扇的高度。工作磨盘，安装在磨光机的底部，用于打磨工作区域。电机，安装在磨光机本体的固定位置，与相应的螺纹杆和转动轴相连，用于提供风扇升降和转动的动力。小型汽油机，安装在磨光机本体的上方，与磨光机变速机构相连接，通过小排量的四冲程汽油发动机提供动力、变速机构控制输出转速，最终获得磨光机底盘工作叶片旋转所需的转动动力。

3.2 远程可控人工智能磨光机的研究内容

3.2.1 人工智能磨光机运动系统的设计

（1）支撑板竖直升降结构的设计

支撑板竖直升降台用于风扇的竖直高度调节。通过电机转动带动螺纹杆进行转动，从而使矩形块进行水平滑动，第一连杆和第二连杆构成剪刀状结构，第二连杆沿着导向杆的往复运动转化为支撑板的上下移动。因为螺纹连接具有较好的自锁效果，所以选用螺纹传动可以保证设备支撑板竖直滑动以后具有良好的稳定性。支撑板竖直升降结构如图4、图5和图6所示。

（2）转动轴锁定机构的设计

转动轴内设在支撑板上方的固定圆筒内，通过圆筒内设电机带动，其上端贯穿圆筒固定连接风扇，同时考虑到电机的轴都会有轻微的可转动空间，当风扇吹风的时候，其会产生震动，转动轴也会跟着晃动。这种情况的出现，不仅会导致设备的吹风效果下降，还会加速设备的损害，所以在风扇转动轴的底部采用卡板与锁定轮配合的方式来完成转动轴转动以后的卡死功能，由此来避免上述情况的发生。锁定轮与卡板配合结构如图7所示。固定圆筒上端固定连接有电动推杆，并与卡板固定连接，通过电动推杆的伸缩带动卡板的移动。

下面结合图3-图7对人工智能磨光机主要结构部件实现的功能进行介绍：

360°方向摄像头用于实时拍摄磨光机的工作区域视频，并上传至单片机；单片机是装置的控制核心，主要控制电机以及电动推杆的运动，同时可以通过蓝牙与手机实现双向的数据通信；风扇是设备移动的直接动力源，通过风扇的摆动和自身转动产生动力实现磨光机的移动，其转向及风速的调节受单片机控制；支撑板竖直升降台（图4、5、6）用于风扇的数值高度调节；电机通过转动带动转动轴进行转动，从而带动风扇进行摆动；电动推杆通过伸缩，从而去推动卡板进行水平的滑动，卡板卡住锁定轮（图7），从而完成转动轴的固定。

3.2.2 人工智能磨光机控制系统的设计

单片机实验开发板是以单片机为核心的测控集成系统。可直接用于控制各种负载，成为实用的嵌入式控制系统[1]。人工智能磨光机的控制系统设计：通过单片机程序开发来实现单片机快速准确地采集外部数据，并自动执行各种指令，通过C语言程序优化来保证单片机在十分复杂的计算机与控制环境中，可以正常有序的进行，最终实现单片机对人工智能磨光机的相关控制功能。人工智能磨光机的控制系统结构示意图，如图8所示。

3.2.3 人工智能磨光机控制系统的创新性和设备特点

（1）创新性：通过控制系统可实现手机远程操控磨光机启停及运动等相关工作；根据360°方向摄像头传输现场视频，通过控制手机实现远程实时控制；通过风扇的摆动和自身转动实现磨光机的移动。

（2）设备特点：设备智能，操作简单，工作高效，生产成本低；实现远程可控及实时监控操纵功能。

4 远程可控人工智能磨光机工作原理分析

设备工作时，可以通过设备本身的机械开关启动，也可以通过手机上的启动按键启动。磨光机本体顶部的360°方向摄像头用于拍摄磨光机工作区域的俯视视频，并将摄像头采集到的数据上传到单片机。单片机对视频数据进行暂存处理，然后将处理后的视频通过蓝牙实时传递给手机，操作者根据实际的工作需求，通过操作手机页面上的移动虚拟按键来向单片机发送信号，经单片机分析工作人员所要求的的装置移动方向后，单片机会根据分析的结果向第各个电机和电动推杆发送指令，使得方向转动至需要的位置，进而控制风扇的转动、转向以及吹风高度等工作状态，以風扇转动产生的推力作为磨光机装置的运动的动力，最终达到远程控制磨光机各种工作状态的效果。工作完成后，工作人员可以操作手机上的熄灭虚拟按键通过单片机来使装置停止工作。

5 结语

远程可控人工智能磨光机使用更加便捷、适应性更强、使用范围更广、效率更高，具有较高的实用价值。随着科技产品的不断涌现和人工智能技术的不断成熟，各行业都在积极研究相关行业的智能化设备[2，3，4]，为远程可控人工智能磨光机的推广应用提供了必要的技术条件。中国现有的基建市场规模相当巨大，本设计的远程可控人工智能磨光机能够在一定程度上减少工人操作机器时的工作强度和意外事故发生的概率，符合市场要求，具有较好的市场前景。

基金项目：2021年校级大学生创新创业训练计划项目：基于单片机的远程可控人工智能磨光机（项目编号：X202113857082）。

参考文献：

[1]邹家柱，段琼瑾.单片机实验开发板的设计与实现[J].装备制造技术，2011（07）：75-77.

[2]赵建新.基于网络的自动化设备远程监控系统现场层设计与实现[J].科学技术创新，2020（34）：110-111.

[3]金洪吉.基于物联网的工业设备远程监控系统研究[J].产业与科技论坛，2020，19（14）：35-36.

[4]王东林，范英男，梁国涛，等.设备远程监控与控制系统开发研究[J].汽车制造业，2022（05）：48-51.