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)]

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[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。