描述

第一步：問“為什么？”

沒有逃避它。在一年中的大部分時(shí)間里，加拿大都會遭受極度寒冷和強(qiáng)降雪。許多人從事的是城市低端工人操作除雪設(shè)備的工作。與此同時(shí)，房主的任務(wù)是自己鏟土、支付服務(wù)費(fèi)用或依賴鄰居，這在任何情況下都會導(dǎo)致花費(fèi)大量時(shí)間和受傷風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對老年人而言。

我們相信，我們可以更好地利用我們可用的人工智能，并通過自動(dòng)化加拿大的除雪過程來改善人們的生活。

我們沒有憑空制造自動(dòng)掃雪機(jī)。首先，我們利用我們的電子和軟件知識構(gòu)建了小型工作原型，我們將從中學(xué)習(xí)并將其應(yīng)用到我們的全尺寸產(chǎn)品中。

我們利用我們的電子和軟件知識構(gòu)建了小型工作原型

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第 2 步：繪制大圖

Jetson Nano 和 Snowplow 如何感知、規(guī)劃和行動(dòng)的高級概述

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簡而言之，我們的設(shè)計(jì)分為四個(gè)階段：

1) 安全——我們?nèi)绾晤A(yù)防緊急情況并實(shí)施故障保險(xiǎn)？

2) 機(jī)械和建筑——我們要怎么做？

3) 電機(jī)控制——我們?nèi)绾慰刂齐姍C(jī)？

4) 同時(shí)定位和路徑導(dǎo)航——它如何知道它在哪里以及要去哪里？

第一階段 - 安全

至于安全措施，我們希望確保有三種機(jī)制可以在緊急情況下關(guān)閉掃雪機(jī)：

1) 通過急停按鈕機(jī)械關(guān)閉

2) 監(jiān)控系統(tǒng)的人員遠(yuǎn)程關(guān)閉

3) 如果系統(tǒng)檢測到需要關(guān)閉軟件的情況

我們上面顯示的急停控制掃雪機(jī)的機(jī)械關(guān)閉

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第 2 階段 - 機(jī)械設(shè)計(jì)和組裝

費(fèi)用說明：

當(dāng)我們最初構(gòu)思這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我們希望在不做出不必要的犧牲的情況下盡可能降低成本。我們的贊助商問我們的自動(dòng)掃雪機(jī)要花多少錢，我們口頭估計(jì)“稅后 2000-3000加元（或大約 2000 美元）”。

我們希望我們的掃雪機(jī)性能良好且具有成本效益。因此，雖然大部分項(xiàng)目材料來自加拿大，但我們也從美國、中國和臺灣采購零件。

有關(guān)項(xiàng)目成本的明細(xì)，請參見此處。

框架概念：

我們想設(shè)計(jì)一個(gè)簡單、堅(jiān)固、易于構(gòu)建、具有成本效益且可調(diào)節(jié)的框架。首先，我們知道我們的框架需要支撐電機(jī)以及很大的重量（這是掃雪機(jī)獲得足夠牽引力所必需的）。

掃雪機(jī)底盤的初步 SolidWorks 草圖。保留了很多設(shè)計(jì)，有些改變了。

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動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)概念：固定齒輪自行車（四倍）

在決定我們的掃雪機(jī)的最佳動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，我們從可追溯到 1800 年代的設(shè)計(jì)中汲取了靈感：固定齒輪自行車。

我們的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)決定取決于幾個(gè)因素，包括成本、制造的難易程度以及我們構(gòu)思和可視化其工作方式的能力。

我們選擇不使用輪椅電機(jī)，因?yàn)槲覀儾幌Ｍ黾映杀尽⑺俣炔混`活（在僅使用輪椅電機(jī)輸出的情況下）以及難以安裝在我們構(gòu)想的框架上。

Jetson Nano 和 Snowplow 如何感知、規(guī)劃和行動(dòng)的高級概述

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第 3 階段 - 電機(jī)控制

該團(tuán)隊(duì)決定使用四個(gè)BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。對于那些做過小型機(jī)器人項(xiàng)目的人（包括團(tuán)隊(duì)中的一些成員）來說，L298N是一種常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。BTS7960 沒有太大區(qū)別，但額定電流高達(dá) 40 安培，非常適合我們的大電流應(yīng)用。

第 4 階段-同時(shí)定位和路徑導(dǎo)航

以下兩張圖片展示了我們的掃雪機(jī)清潔概念的高級視圖

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第 3 步：開始構(gòu)建

在我們決定花錢建造全尺寸原型之前，我們決定建造一個(gè)較小尺寸的概念車來證明我們的想法。我們從鋁型材和六個(gè) 9V 直流電機(jī)開始，它們的控制方式與上一步中的框圖相同。

展示較小原型的構(gòu)造，我們將在其中證明我們的概念

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原型的更完整版本，是全尺寸掃雪機(jī)的便捷試驗(yàn)臺

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一旦我們向自己證明我們可以在更小的底盤上實(shí)現(xiàn)我們的一些項(xiàng)目目標(biāo)，我們就決定是時(shí)候開始構(gòu)建全尺寸原型了。

第一階段 - 安全

全尺寸掃雪機(jī)使用了汽車保險(xiǎn)絲盒，這需要斷開急停按鈕才能打開所有繼電器并允許電流從電池流出，并流向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)（取決于在控制信號上）。

第 2 階段 - 機(jī)械設(shè)計(jì)和組裝

單擊此處查看我們機(jī)械材料的完整分類

我們的任務(wù)是組裝傳動(dòng)系統(tǒng)。這需要以機(jī)械合理（直輪、平行軸）且易于維修（鏈條可以輕松更換，輪子可以拆卸）的方式完成。我們決定采用四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配備四個(gè)獨(dú)立電機(jī)。這樣做有幾個(gè)原因。首先，全輪驅(qū)動(dòng)是必須的，因?yàn)槲覀冃枰軌蛳虻孛鎮(zhèn)鬟f盡可能多的力。這是通過最大化與驅(qū)動(dòng)輪上的法向力成比例的摩擦力來實(shí)現(xiàn)的。如果只有前兩個(gè)或后兩個(gè)輪子有動(dòng)力，那么地面上推雪的力就會更小。其次，我們是不是也想要一個(gè)獨(dú)立的左右驅(qū)動(dòng)，我們不需要像汽車那樣的帶有扭輪的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而是我們有坦克式的轉(zhuǎn)向，左輪和右輪以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。只有四個(gè)獨(dú)立的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，除非我們使用履帶而不是輪胎。

最后，我們將鏈輪安裝在電機(jī)和輪軸上，將鏈輪焊接到輪轂上，然后將輪胎安裝在一組板上，該板可以容納輪轂。最初的目的是將鏈輪也焊接到這些輪轂上，然后將板用螺栓固定到鏈輪上。但是，我們生產(chǎn)的焊縫不符合要求，車輪是直的，鏈輪是歪的。我們沒有嘗試再次進(jìn)行焊接，而是選擇加工定制的鋁制輪轂適配器。這樣可以更輕松地拆卸車輪，并且是購買更多輪轂和鏈輪的低成本解決方案。總而言之，我們的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了它的目標(biāo)，車輪筆直且同心，我們可以輕松維修鏈條和車輪，并有效地高效地提供動(dòng)力。

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電機(jī)將用鏈條連接到輪子上。或者我們可以使用皮帶或齒輪，齒輪很難對齊，而且要復(fù)雜得多，它們需要潤滑，間距很重要，它們會產(chǎn)生推力等。選擇鏈條而不是皮帶，因?yàn)樗鼈兒苋菀讖漠?dāng)?shù)氐奈褰鸬辏以谠O(shè)計(jì)上比皮帶更靈活，我們可以縮短或延長鏈條。為了提供張力，所使用的軸承安裝在枕塊中。枕塊有槽，可以進(jìn)行一些調(diào)整。此外，我們的電機(jī)安裝在我們可以平移的板上，以確保鏈條筆直并調(diào)節(jié)張力。我們用切槽加工板，這樣我們就可以將電機(jī)滑動(dòng)大約 0.125 英寸，允許在我們 0.5 英寸長的鏈節(jié)上進(jìn)行 0.25 英寸的調(diào)整，

第 3 階段 - 電機(jī)控制

我們選擇使用兩個(gè) 12 V 120 Ah 深循環(huán)船用電池為掃雪機(jī)供電。考慮到?jīng)]有重量限制，這些電池是一種理想的具有成本效益的選擇。串聯(lián)連接的電池提供 24 V 電壓，最適合為 500 W 24 V 有刷直流電機(jī)供電。我們將四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的每一個(gè)分別與兩個(gè)電池串聯(lián)，從而為每個(gè)驅(qū)動(dòng)器提供 24 V 電壓。在連接到驅(qū)動(dòng)器之前，四根正極電纜中的每根電纜首先通過其自身的 25 A 保險(xiǎn)絲和繼電器。我們選擇了 25 A 保險(xiǎn)絲，因?yàn)樵撾娏髟?24 V 時(shí)會產(chǎn)生 600 W 的功率，假設(shè)電機(jī)能夠在短時(shí)間內(nèi)提供該功率。四個(gè)繼電器連接在一個(gè)簡單的串聯(lián)電路中，由主開關(guān)和一個(gè)由其中一個(gè)電池供電的緊急停止裝置組成。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都閉合時(shí)，為四個(gè)繼電器中的每一個(gè)提供 12 V 電壓，從而打開它們并為每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。當(dāng)緊急停止或主開關(guān)打開時(shí)，所有繼電器都關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器的電源被切斷。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也連接到各自的電機(jī)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。從而打開它們并為每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。當(dāng)緊急停止或主開關(guān)打開時(shí)，所有繼電器都關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器的電源被切斷。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也連接到各自的電機(jī)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。從而打開它們并為每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電。當(dāng)緊急停止或主開關(guān)打開時(shí)，所有繼電器都關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器的電源被切斷。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也連接到各自的電機(jī)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。當(dāng)緊急停止或主開關(guān)打開時(shí)，所有繼電器都關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器的電源被切斷。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也連接到各自的電機(jī)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。當(dāng)緊急停止或主開關(guān)打開時(shí)，所有繼電器都關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)器的電源被切斷。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也連接到各自的電機(jī)。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從電池接收 24 V 電壓，并可以使用該電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)前進(jìn)、后退以及以軟件確定的不同速度。每個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均由來自 ESP32 的信號控制。ESP32 由 5 V 供電，我們使用連接到 12 V 電池之一的 5 V 降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。為 ESP32 供電的電路也與主開關(guān)串聯(lián)，因此當(dāng)主開關(guān)打開時(shí) ESP32 關(guān)閉。

與制造機(jī)械部件所涉及的問題相比，構(gòu)建電氣系統(tǒng)時(shí)遇到的問題微乎其微。內(nèi)置電壓表在測試電氣系統(tǒng)時(shí)會提前停止工作，但這個(gè)組件不是必需的，因?yàn)槲覀兛梢允褂檬诸^的電壓表測試電壓。最主要的問題是一些安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器有故障，但通過一些故障排除和更換壞驅(qū)動(dòng)器解決了這個(gè)問題。

電氣系統(tǒng)的下一步主要是簡化所有電纜并為其增加保護(hù)。在目前的狀態(tài)下，掃雪機(jī)使用了過多的電纜，并且這些電纜的安裝方式?jīng)]有組織。串聯(lián)電池的多根跨接電纜可以換成一根合適的跨接電纜，并且可以焊接所有連接器以確保可靠連接。連接到電池的眾多跳線也可以與單個(gè)高規(guī)格跳線交換，并且塊連接器可用于在需要分配電源的點(diǎn)將它們分成更小的電纜。任何捆綁的電線都可以用套管包裹以確保使用壽命。各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可以直接重新連接到 ESP32，而不是通過中間板。

第 4 階段-同時(shí)定位和路徑導(dǎo)航

我們使用了來自 NavSpark NS-HP-GN2的最新雙頻（或多波段）RTK ，它支持 GPS L1/L2C、北斗 B1I/B2I、Galileo E1/E5b、GLONASS L1/L2。更多的衛(wèi)星 = 更高的準(zhǔn)確性和對信號阻塞的更大容忍度。我們使用 2 個(gè)Heltec Lora 32在基站和掃雪機(jī)中的 GPS 接收器之間進(jìn)行糾錯(cuò)通信。我們在北美使用LoRa （遠(yuǎn)程）915Mhz 版本。LoRaWAN 非常適合開放空間和 Wi-Fi 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)未覆蓋的區(qū)域。它可以超過30公里的范圍。但是，它的主要不便在于它具有 27 kbps 的低數(shù)據(jù)傳輸限制。我們需要將通信波特率降低到 19200。RTK 接收器可以毫無問題地發(fā)送 10Hz 的糾錯(cuò)信號。NMEAnd RTCM只需要 9600 波特。Heltec Lora32 具有 Wi-Fi 和 LoRaWAN 兩種通信方式。我們可以根據(jù)操作區(qū)域進(jìn)行配置。

RTK 解決方案（差分 GPS）已在測量領(lǐng)域使用多年；但是，此類系統(tǒng)的成本通常非常高（在 5 位數(shù)范圍內(nèi)）。我們今天實(shí)施的系統(tǒng)采用市場上最新的經(jīng)濟(jì)高效技術(shù)，基站和 Rover（掃雪機(jī)）的價(jià)格僅為 300 美元。

我們筆記本中的路徑導(dǎo)航示例

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RTK GPS 印刷電路板和 Heltec LoRa ESP32

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