郭 湃，江秋儀，程清偉，張振裕，陳明翁，汪浩冉，宋宇航

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州510800）

1 研究背景及意義

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，為城市居民提供休閑娛樂的大型廣場越來越多，而目前國內(nèi)城市廣場清潔作業(yè)多由人工完成，勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低。目前按工作原理將路面清掃車分為純掃式清掃車、吸掃式清掃車以及真空吸塵車三類。

純掃式清掃車設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，清掃范圍寬，功率消耗小，適應(yīng)性好，主要用于人口稠密的街道、市區(qū)以及大顆粒塊狀垃圾較多的場合。但這類清掃車對微細(xì)塵粒的除凈率較低，清掃效果不理想。

吸掃式清掃車有盤刷或柱刷以及吸嘴，其中盤刷或柱刷可以伸出到基礎(chǔ)車體以外。由于自身旋轉(zhuǎn)，盤刷可對邊角、路緣、護(hù)欄下的垃圾擾動并將其橫向拋射至吸嘴前方，形成一條垃圾帶，當(dāng)吸嘴經(jīng)過垃圾帶時，利用空氣動力將垃圾塵粒撿拾和輸送到垃圾箱中。

真空吸塵車作為逐漸興起的一類清掃車，以其特有的性能優(yōu)勢，逐漸在市場上嶄露頭角。真空吸塵車由于不安裝清掃機(jī)構(gòu)并采用干式除塵方式，且吸嘴寬度即為清掃寬度，主要用于介質(zhì)粉塵量大、密度高、抑止揚(yáng)塵困難以及灑水除塵不方便的地區(qū)，清掃對象主要是煤粉、水泥、礦粉等粉塵狀垃圾。

2 廣場清潔小車的設(shè)計(jì)方案

2.1 廣場清潔小車研究內(nèi)容與方法

目前國內(nèi)城市廣場清潔作業(yè)多由人工完成，勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低。因此，筆者們設(shè)計(jì)了一款適用于城市廣場清潔的多級垃圾回收裝置。城市廣場清潔小車介于大型城市環(huán)衛(wèi)車和室內(nèi)小型吸塵清潔機(jī)。本裝置體積較小，功能較齊全，性價比較高。本裝置主要包括移動機(jī)構(gòu)、感知模塊、控制模塊、垃圾收集機(jī)構(gòu)。對清潔小車在城市廣場運(yùn)行過程中的避障方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于紅外避障傳感器與碰撞傳感器的避障功能模塊。

解決目前清掃車清掃廣場地面時存在的問題：①純掃式清掃車設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，清掃范圍寬，功率消耗小，適應(yīng)性好，主要用于人口稠密的街道、市區(qū)以及大顆粒塊狀垃圾較多的場合。但這類清掃車對于微細(xì)塵粒的除凈率較低，清掃效果不理想。②在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)其移動功能、地面清潔功能與垃圾回收功能，保證清潔機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性與功能實(shí)現(xiàn)。③清潔機(jī)為減少自身纏繞電線，一般都用移動電源為系統(tǒng)供電。為了能多次使用，都采用可充電電池。使用自主充電技術(shù)可以保證清潔機(jī)高效、安全、長時間進(jìn)行清掃工作。④利用眾多的傳感器，清潔機(jī)能檢測并分析出自己所在位置、廣場大小及臟亂程度、環(huán)境的配置等。

結(jié)合地面清潔現(xiàn)狀，嘗試設(shè)計(jì)一款清潔小車，具體特征和功能如下：①智能操作一體化，可利用手機(jī)或者電腦設(shè)備連接Wi-Fi 遠(yuǎn)程控制來清洗機(jī)器。②檢測過程自動化，檢測系統(tǒng)主要采用高清攝像頭、距離傳感器等檢測并分析出自己所在位置、廣場大小及臟亂程度、環(huán)境的配置等。③產(chǎn)品整體視覺美觀化。產(chǎn)品符合實(shí)用性要求，在公共場合不妨礙路人，且能夠增添科技感。

2.2 清潔結(jié)構(gòu)

清潔小車的清潔機(jī)構(gòu)主要由前端、中端、后端三個結(jié)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。前端清潔機(jī)構(gòu)位于整個小車的最前端，由較長的斜傳送帶刷子和斜檔板組成，通過設(shè)計(jì)刷子與檔板的距離清掃體積比較大的垃圾，如飲料瓶、奶茶杯等，同時保證不清掃小垃圾。中端清潔機(jī)構(gòu)位于前端清潔機(jī)構(gòu)下方，通過設(shè)計(jì)刷子與檔板的距離清掃回收前端清潔機(jī)構(gòu)不能回收體積比較小的垃圾，采用比前端較短的斜傳送帶刷子和斜檔板，節(jié)省空間，使整體結(jié)構(gòu)緊湊，同時節(jié)省垃圾運(yùn)到垃圾桶的時間，達(dá)到減少能量消耗的目的。垃圾桶位于前中端清潔機(jī)構(gòu)之后后端清潔機(jī)構(gòu)和吸塵器之前，而且分為兩層，上層用于收集前端較大的垃圾，下層用于收集中后端機(jī)構(gòu)清掃的較小垃圾。后端清潔機(jī)構(gòu)由貼地的圓刷和吸塵器組成，用于回收前端和中端都不能回收的微小垃圾，比如瓜子殼、紙屑之類的垃圾。因此，清潔小車通過前端、中端和后端三部分的清潔機(jī)構(gòu)最終都將清掃的垃圾全部移送到指定垃圾桶，對垃圾進(jìn)行簡單的大小分類。

圖1 清潔小車整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 避障模塊

與光學(xué)傳感器相比，超聲傳感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以識別透明類障礙物，其感知精度不受障礙物顏色干擾，同時可以在夜間工作，而使用紅外線傳感技術(shù)在以上情況下工作都會受到影響。利用超聲傳感避障可以避免直接碰撞，清潔機(jī)本身和家庭設(shè)施的防護(hù)方面明顯優(yōu)于使用紅外線傳感系統(tǒng)的清潔機(jī)。

2.4 創(chuàng)新點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)其移動功能、地面清潔功能與垃圾收集功能，保證清潔機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性與功能實(shí)現(xiàn)。

清潔機(jī)的路徑規(guī)劃必須實(shí)現(xiàn)“遍歷”這一功能，并使覆蓋率盡可能大和重復(fù)率盡可能小。使路徑規(guī)劃過程的算法誤差盡可能小，保證清潔機(jī)正常穩(wěn)定工作。

清潔機(jī)配置多種傳感器，用以獲取自身工作狀況信息和實(shí)現(xiàn)對清潔機(jī)自身動作的控制。同時集成避障傳感器、防碰撞傳感器與運(yùn)動控制系統(tǒng)，并通過傳感與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)的地面自動清潔功能?；赪i-Fi 無線模塊的控制，融合多種傳感器檢測技術(shù)，對小車進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，將信息反饋到技術(shù)員手機(jī)上，實(shí)行遠(yuǎn)程遙控。

2.5 工作原理

清潔小車進(jìn)入工作狀態(tài)后，清潔車通過攝像識別開始行走工作，根據(jù)程序設(shè)計(jì)的路線進(jìn)行清潔，由STM32 控制清掃裝置開始清掃，然后集中回收。清潔小車前進(jìn)清潔過程中，當(dāng)攝像頭識別到類似飲料瓶、奶茶杯、礦泉水瓶等體積比較大的垃圾時啟動前端清潔機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃，若沒有，則只啟動中后端清潔機(jī)構(gòu)，減少電量的消耗，使其有更高的續(xù)航能力。當(dāng)中端清潔機(jī)構(gòu)啟動時，清掃類似于紙團(tuán)、垃圾袋等體積較小垃圾，然后收集在指定的垃圾桶中，后端清潔機(jī)構(gòu)的圓刷將一些微小的垃圾如沙子、樹葉、灰塵集中清掃到吸塵器下方，再通過吸塵器達(dá)到清潔目的。清潔完成后，將信號反饋到操縱人員的控制面板中提醒操縱人員，操縱人員根據(jù)攝像頭查看清潔情況決定接下來的工作程序，結(jié)束工作、充電待命，或再進(jìn)行一次清潔。

3 總結(jié)與展望

本文對當(dāng)前國內(nèi)外清潔機(jī)器人研究進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了一款以STM32 控制為主控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)掃地吸塵和收集垃圾等多種功能的輕型清潔小車。該清潔小車使用范圍廣，可美化城市廣場環(huán)境，提高市容，提升人民的生活水平，有效減輕了清潔人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。同時該裝置機(jī)構(gòu)比較簡單，但清潔功能齊全，生產(chǎn)成本較低，性價比高。筆者后續(xù)將對該產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化，如改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更輕巧，使避障功能更加完善和智能化，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)量化生產(chǎn)該產(chǎn)品，更好地造福全社會和全人類。