自跟隨垃圾清潔車設計

潘胤卓 肖童 肖峰

摘要：為了提高環衛工人的工作效率，設計了具有自跟隨功能的垃圾清潔車，可實現清潔車邊吸垃圾邊跟隨操作者的功能。分別從機械結構設計、控制系統設計和動力系統設計3個方面，闡述了該設備的設計原理和方法。

關鍵詞：垃圾清潔車;UWB定位;自跟隨

0 引言

目前環衛工人清潔小區衛生主要采用手推垃圾車配合相應的清掃工具進行作業。環衛工人需邊推車邊打掃，作業效率低，勞動強度大。如果垃圾車能自動跟隨環衛工人工作，并具有吸垃圾功能，便可大大提高環衛工人的工作效率。

目前主流的跟隨技術有兩種，分別是視覺跟隨技術和UWB跟隨技術。視覺跟隨技術采用CCD攝像頭傳感器，主要依靠圖像特征進行定位，具有價格高、處理復雜等特點，在光線不足和視線受阻的情況下無法工作，不適應夜晚和人流密集的環境[1]。UWB跟隨技術采用無線脈沖波定位，具有定位準確度高、成本低、不受光線和視線遮擋影響等特點[2]。由于環衛工人的作業環境人流密集，有時在夜晚作業，因此，自跟隨垃圾清潔車采用UWB定位技術，可降低環境影響，實現實時跟隨的作業目的。

1 機械結構設計

1.1? ? 自跟隨垃圾清潔車整體結構

自跟隨垃圾清潔車整體結構如圖1所示，由吸塵裝置、行走裝置和架體組成。

1.2? ? 吸塵裝置設計

吸塵裝置由殼體、風機、濾芯、隨意停支桿、吸塵管和滿倉傳感器組成，如圖2所示。風機在殼體內產生負壓，垃圾雜物由吸塵管進入殼體。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。

1.3? ? 行走裝置設計

行走裝置由兩個驅動輪和兩個萬向輪組成，驅動輪由電機、聯軸器、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的動力輸入，切換跟隨模式和手動模式。清潔車工作時，當遇到復雜路況時，切換到手動模式，清潔車由操作者推動，應對不同的工作環境。

2 控制系統設計

2.1? ? UWB跟隨技術原理

該設備采用的UWB跟隨系統，一共有3個UWB模塊，被跟隨者手持1個模塊（標簽0），另外2個模塊需要安裝在自跟隨垃圾清潔車的兩側（基站1和基站2）。此UWB模塊供電使用的是5 V電源，當移動模塊開關打開后，就會發射出無線信號，安裝在自跟隨垃圾清潔車上的2個UWB基站接收到信號后，通過測量自跟隨垃圾清潔車上2個模塊（基站1和基站2）與手持模塊（標簽0）之間的距離，根據余弦定理，可以得出標簽0相對于基站1、基站2的相對角度，并得到清潔車中點到手持模塊的距離，從而實現跟隨功能。系統最大跟隨距離為50 m，并具有較強的抗干擾能力。在清潔車基站的安裝過程中，2個UWB基站盡量遠一點，這樣測距產生的誤差對于角度的誤差會相對較小。

UWB跟隨技術原理如圖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到標簽0的距離。程序會完成標簽0與基站1和基站2之間的距離測量，三角形的3個邊確定后，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，只需要知道一個距離和產生的角度即可，當自跟隨垃圾清潔車與標簽0之間的距離大于所設定距離時，就會啟動跟蹤，當自跟隨垃圾清潔車與標簽0之間的距離小于設定距離時，清潔車則停止不動。當位置關系滿足A情況，清潔車需要右轉，滿足B情況則直行，滿足C情況則左轉。

2.2? ? 控制系統設計

該設備控制器選用STM32F103C8T6單片機，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、實時性好、數字信號處理能力強、低功耗等特點，同時具備高集成度和開發簡單的特點[3]，易于集成，體積小。

2.3? ? DWM1000模塊

定位模塊采用DW1000無線收發芯片，支持同步數據傳輸和精準定位，它的最遠傳輸距離可以達到450 m。芯片所耗功率非常低，最小誤差可以控制在10 cm內，可實現定位和雙向測距，效果顯著。該模塊由模式變換器、收發器、SPI接口、電路以及狀態控制器組成。通過控制寄存器來實現切換不同的工作狀態[4];抗干擾能力強，適合復雜環境的定位應用。系統采用SPI總線與主控芯片通信，最高速率可達到20 MHz。

系統以STM32F103C8為主設備，DWM1000模塊為從設備，SI、CS、SCLK、SO引腳為DWM1000模塊核心控制引腳。

3 動力系統設計

該設備的動力系統由行走動力和吸塵動力兩部分組成。

相比較于鉛酸蓄電池，鋰電池具有能量密度高、質量輕、環保、充電次數多的優點?？紤]到該設備在特殊路況需要操作者推動的特點，需要選用質量輕、高能量密度的電池。該設備選用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。

兩臺行走電機分別裝于兩個驅動輪上，由電機驅動器控制電機啟動、停止、反轉和調速，從而控制設備的前進、后退和轉向。

吸塵風機的工作電壓為AC220 V，功率1.1 kW。由于電機啟動電流是額定電流的3倍以上，所以選用24 V、5 000 W的逆變器，將直流24 V轉化為交流220 V，為吸塵風機提供動力。

4 結語

本文設計了一種具有自跟隨功能的垃圾清潔車，采用了基于UWB技術的定位跟蹤系統，該系統運用TDOA算法，具有精度高、成本低等特點。該設備可提高環衛工人的工作效率，保障群眾生活環境的清潔衛生。

[參考文獻]

[1] 張豐，李順霖，陳仁，等.基于自跟隨系統的智能行李箱[J].智能計算機與應用，2019，9（3）：156-158.

[2] 周馳東.磁導航自動導向小車（AGV）關鍵技術與應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

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

[4] 景建斌，張云龍.基于DW1000的自跟隨購物車系統[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：智能環衛設備。