一种基于单片机控制的自动喷绘机喷头自测距避障系统的设计

一种基于单片机控制的自动喷绘机喷头自测距避障系统的设计

韩飞 ,袁守强 ,张梦迪 ,戚薇,张宁

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当前，国家大力实施美丽中国战略，墙体彩绘作为拓宽城乡文化建设内涵、创新文化建设的载体，起到了宣传、美化环境的目的，得到大力推广。同时随着人们消费能力在不断提升,越来越多的商家瞄准了建筑物美化装饰市场。根据产业信息网得知墙体彩绘拥有百亿级市场，市场空间十分巨大！

团队首先对山东省有第一书记驻村的112个自然村调查，超过90%的村庄在3年内有墙绘需求，且每个村庄用在墙绘上的费用年均约1.5-2万元，可产生每年约3-5亿元的市场容量，且平均每4-5年的墙绘迭代周期，产生了源源不断的市场需求。而这样的自然村中国有180万，每年有100+亿元的市场容量（据产业信息网预测），平均每4-5年的墙绘迭代周期，产生了源源不断市场需求，需求旺盛，市场空间十分巨大！

以墙绘为主题词，在天眼查和京东巨鲸网等专业网站查询，目前营业范围涉及墙绘的公司约有4万个，较为知名的墙绘公司较少，多为分散分布的“散兵游勇”。这些公司的主营业务多为贴纸墙面彩绘、模板墙面彩绘、纯手工墙面彩绘，业务面涉及室内装修绘画、城市室外绘画等，专业从事墙体彩绘的公司少之又少。目前，墙体彩绘生产工艺方式多以手工绘制为主，手工墙绘市场占有度约为99%，效率低、价格高，现有自喷机受制于施工环境而难以推广。

为解决上述痛点问题，本文提出通过使用单片机控制的自动喷绘机喷头自测距避障系统解决上述痛点问题。

同时成立了远道▪绘美中国团队，致力于解决室内外墙体彩绘机器喷绘严重受限问题，团队历时5个月，研发了自喷机喷头自测距避障系统，于2022年8月形成了自喷机2.0版本（在这之前已经研发出了地脚自调平系统，解决因地面凹凸不平无法施工难题）。

喷头自测距避障装置的控制系统主要由控制部分、检测部分、通信部分以及执行部分组成。根据避障方法、控制算法研制出控制策略后，利用单片机采测距传感器的反馈信号，计算喷头和避障点之间、的理论伸缩量，基于单片机的定时器的PWM模块利用脉冲数来驱动步进电机进而给定滚珠丝杠支腿伸缩量。根据预期避障设置要求对整个调平控制系统进行硬件匹配，包括对单片机、传感器、滚珠丝杠支腿、步进电机及其它电气系统部分的设计或选型，最终搭建自动避障系统，实现自动调平。

市面上大多数墙体彩绘自喷机对墙面要求极高，不仅需要采取传统的抹墙方式进行墙面处理, 而且需要实时调整机器与墙面之间的距离以达到保护喷头。目前市面上自喷机无法进行自动避障，经常会出现因墙面面凹凸不平而导致损坏喷头的情况。因施工环境受限的问题，现有自喷机只能满足部分市场需求（±1CM以内的墙面）。

我们研发的喷头自测距避障系统通过采用激光测距传感器实时监测的墙面信息，控制器对步进电机进行精准控制从而实现自动避障，可实现地面平整度小于5CM的地形自喷；不仅使施工前预处理时间缩短2倍，同时也解决因墙面不平整导致墙绘作品倾斜、不美观等问题。

我们在研发之前做过测试，市面上大多数采用的是红外测距传感器和超声波测距传感器，我们举超声波测距传感器例子进行分析：超声波具有很大的发散角，呈圆锥型传播，不能精准测量目标区域。而激光测距传感器测距精度高，不易受外界干扰。我们研发的喷头自测距避障系统所用激光测距传感器精度：1mm，精度0.1mm。

而我们系统所用的避障系统算法，是以提高调平精度和速度为目标，在结构复杂度上，为简化结构、提高仪器使用价值，本系统直接借助于测距传感器来检测墙面信息移变化所引起的x和y轴的角度变化量，无需加装位移传感器，同时减小系统开发成本。

从调平速度上来看，可以适应市面上各种工作时喷头避障，速度最高可达50mm/s。同时我们在原有激光测距传感器基础上，加装了小型步进电机，这样可以由原来的线变为面进行准确快速的扫描，提高了生产效率而且同时节约可成本。

为进一步验证，我们在原有的基础上，将喷头自测距避障系统也投入到了墙体彩绘行业实地应用中，将市面上自喷机同时安装地脚自调平系统和喷头自测距避障系统，经过4个城市8家企业112次实地应用，客户均反馈良好。现在产品已经通过了企业中试，快要就要量产了！

为了实现本产品的技术壁垒，不让其他市面上产品快速替代，本团队已研发出了新型喷头核心产品，在程序算法上做出优化，从而有效提高自动避障过程的稳定性、精度和效率，完全实现智能化喷绘，提高作业安全性。当前，团队正在自主设计研发新型墙绘设备3.0版本，创新采用封闭式连续颜料供给系统、高精度控制系统、活动可拆卸喷头、双动力源驱动系统，有效解决现有喷绘设备灰尘易进入颜料供给系统、喷头颜料供给不流畅、设备供电不便、墙画图片精度低、喷墨不匀导致墙画易褪色的问题，大大提高了喷绘效率和成品质量。