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        自跟隨垃圾清潔車設(shè)計(jì)

        2020-08-31 05:41:24潘胤卓肖童肖峰
        機(jī)電信息 2020年17期

        潘胤卓 肖童 肖峰

        摘要:為了提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率,設(shè)計(jì)了具有自跟隨功能的垃圾清潔車,可實(shí)現(xiàn)清潔車邊吸垃圾邊跟隨操作者的功能。分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)方面,闡述了該設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和方法。

        關(guān)鍵詞:垃圾清潔車;UWB定位;自跟隨

        0 引言

        目前環(huán)衛(wèi)工人清潔小區(qū)衛(wèi)生主要采用手推垃圾車配合相應(yīng)的清掃工具進(jìn)行作業(yè)。環(huán)衛(wèi)工人需邊推車邊打掃,作業(yè)效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大。如果垃圾車能自動(dòng)跟隨環(huán)衛(wèi)工人工作,并具有吸垃圾功能,便可大大提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率。

        目前主流的跟隨技術(shù)有兩種,分別是視覺跟隨技術(shù)和UWB跟隨技術(shù)。視覺跟隨技術(shù)采用CCD攝像頭傳感器,主要依靠圖像特征進(jìn)行定位,具有價(jià)格高、處理復(fù)雜等特點(diǎn),在光線不足和視線受阻的情況下無法工作,不適應(yīng)夜晚和人流密集的環(huán)境[1]。UWB跟隨技術(shù)采用無線脈沖波定位,具有定位準(zhǔn)確度高、成本低、不受光線和視線遮擋影響等特點(diǎn)[2]。由于環(huán)衛(wèi)工人的作業(yè)環(huán)境人流密集,有時(shí)在夜晚作業(yè),因此,自跟隨垃圾清潔車采用UWB定位技術(shù),可降低環(huán)境影響,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨的作業(yè)目的。

        1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        1.1? ? 自跟隨垃圾清潔車整體結(jié)構(gòu)

        自跟隨垃圾清潔車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由吸塵裝置、行走裝置和架體組成。

        1.2? ? 吸塵裝置設(shè)計(jì)

        吸塵裝置由殼體、風(fēng)機(jī)、濾芯、隨意停支桿、吸塵管和滿倉傳感器組成,如圖2所示。風(fēng)機(jī)在殼體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,垃圾雜物由吸塵管進(jìn)入殼體。滿倉傳感器通過檢測垃圾的高度判斷垃圾桶是否滿倉。隨意停支桿可支撐殼體抬起,便于操作者更換垃圾箱。吸塵管由PU軟管、PLA硬管、手持控制器、萬向輪組成,如圖3所示,具有操作簡單、靈活的特點(diǎn)。

        1.3? ? 行走裝置設(shè)計(jì)

        行走裝置由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)萬向輪組成,驅(qū)動(dòng)輪由電機(jī)、聯(lián)軸器、支撐架、電磁離合器和輪胎組成。電磁離合器可連接或斷開電機(jī)的動(dòng)力輸入,切換跟隨模式和手動(dòng)模式。清潔車工作時(shí),當(dāng)遇到復(fù)雜路況時(shí),切換到手動(dòng)模式,清潔車由操作者推動(dòng),應(yīng)對不同的工作環(huán)境。

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1? ? UWB跟隨技術(shù)原理

        該設(shè)備采用的UWB跟隨系統(tǒng),一共有3個(gè)UWB模塊,被跟隨者手持1個(gè)模塊(標(biāo)簽0),另外2個(gè)模塊需要安裝在自跟隨垃圾清潔車的兩側(cè)(基站1和基站2)。此UWB模塊供電使用的是5 V電源,當(dāng)移動(dòng)模塊開關(guān)打開后,就會發(fā)射出無線信號,安裝在自跟隨垃圾清潔車上的2個(gè)UWB基站接收到信號后,通過測量自跟隨垃圾清潔車上2個(gè)模塊(基站1和基站2)與手持模塊(標(biāo)簽0)之間的距離,根據(jù)余弦定理,可以得出標(biāo)簽0相對于基站1、基站2的相對角度,并得到清潔車中點(diǎn)到手持模塊的距離,從而實(shí)現(xiàn)跟隨功能。系統(tǒng)最大跟隨距離為50 m,并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在清潔車基站的安裝過程中,2個(gè)UWB基站盡量遠(yuǎn)一點(diǎn),這樣測距產(chǎn)生的誤差對于角度的誤差會相對較小。

        UWB跟隨技術(shù)原理如圖4所示,X為基站1到基站2的距離,Y、Z分別為基站1、基站2到標(biāo)簽0的距離。程序會完成標(biāo)簽0與基站1和基站2之間的距離測量,三角形的3個(gè)邊確定后,通過余弦定理即可算出G的角度。對于自跟隨垃圾清潔車來說,只需要知道一個(gè)距離和產(chǎn)生的角度即可,當(dāng)自跟隨垃圾清潔車與標(biāo)簽0之間的距離大于所設(shè)定距離時(shí),就會啟動(dòng)跟蹤,當(dāng)自跟隨垃圾清潔車與標(biāo)簽0之間的距離小于設(shè)定距離時(shí),清潔車則停止不動(dòng)。當(dāng)位置關(guān)系滿足A情況,清潔車需要右轉(zhuǎn),滿足B情況則直行,滿足C情況則左轉(zhuǎn)。

        2.2? ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        該設(shè)備控制器選用STM32F103C8T6單片機(jī),是一款嵌入式32位的微控制器。它的工作溫度在-40~85 ℃,工作電壓2~3.6 V。其MCU具有高性能、實(shí)時(shí)性好、數(shù)字信號處理能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn),同時(shí)具備高集成度和開發(fā)簡單的特點(diǎn)[3],易于集成,體積小。

        2.3? ? DWM1000模塊

        定位模塊采用DW1000無線收發(fā)芯片,支持同步數(shù)據(jù)傳輸和精準(zhǔn)定位,它的最遠(yuǎn)傳輸距離可以達(dá)到450 m。芯片所耗功率非常低,最小誤差可以控制在10 cm內(nèi),可實(shí)現(xiàn)定位和雙向測距,效果顯著。該模塊由模式變換器、收發(fā)器、SPI接口、電路以及狀態(tài)控制器組成。通過控制寄存器來實(shí)現(xiàn)切換不同的工作狀態(tài)[4];抗干擾能力強(qiáng),適合復(fù)雜環(huán)境的定位應(yīng)用。系統(tǒng)采用SPI總線與主控芯片通信,最高速率可達(dá)到20 MHz。

        系統(tǒng)以STM32F103C8為主設(shè)備,DWM1000模塊為從設(shè)備,SI、CS、SCLK、SO引腳為DWM1000模塊核心控制引腳。

        3 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        該設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)由行走動(dòng)力和吸塵動(dòng)力兩部分組成。

        相比較于鉛酸蓄電池,鋰電池具有能量密度高、質(zhì)量輕、環(huán)保、充電次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)??紤]到該設(shè)備在特殊路況需要操作者推動(dòng)的特點(diǎn),需要選用質(zhì)量輕、高能量密度的電池。該設(shè)備選用24 V的磷酸鐵鋰電池,容量為102 Ah,最大放電電流為140 A,在額定電流下可工作2 h。

        兩臺行走電機(jī)分別裝于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和調(diào)速,從而控制設(shè)備的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。

        吸塵風(fēng)機(jī)的工作電壓為AC220 V,功率1.1 kW。由于電機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的3倍以上,所以選用24 V、5 000 W的逆變器,將直流24 V轉(zhuǎn)化為交流220 V,為吸塵風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力。

        4 結(jié)語

        本文設(shè)計(jì)了一種具有自跟隨功能的垃圾清潔車,采用了基于UWB技術(shù)的定位跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)運(yùn)用TDOA算法,具有精度高、成本低等特點(diǎn)。該設(shè)備可提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率,保障群眾生活環(huán)境的清潔衛(wèi)生。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 張豐,李順霖,陳仁,等.基于自跟隨系統(tǒng)的智能行李箱[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用,2019,9(3):156-158.

        [2] 周馳東.磁導(dǎo)航自動(dòng)導(dǎo)向小車(AGV)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

        [3] 李世光,高富,李文甲,等.基于STM32的超市智能跟隨購物機(jī)器人設(shè)計(jì)[C]//2017中國自動(dòng)化大會(CAC2017)暨國際智能制造創(chuàng)新大會(CIMIC2017)論文集,2017:319-323.

        [4] 景建斌,張?jiān)讫?基于DW1000的自跟隨購物車系統(tǒng)[J].中國科技信息,2019(7):90-91.

        收稿日期:2020-06-05

        作者簡介:潘胤卓(1984—),男,黑龍江人,助教,研究方向:智能環(huán)衛(wèi)設(shè)備。

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