應用于地鐵市場的無人消毒小車設計研究＊

馬進，方遠，羅軍，劉騏鳴，馬炯罡

應用于地鐵市場的無人消毒小車設計研究＊

馬進，方遠，羅軍，劉騏鳴，馬炯罡

（杭州電子科技大學自動化（人工智能）學院，浙江 杭州 310000）

應用于地鐵市場的無人消毒小車是以智能循跡小車為基本設計原型，然后借助激光檢測模塊及紫外燈進行相應的檢測和消毒工作。無人消毒小車的應用可較好地滿足地鐵消毒工作的實際需求，對無人消毒小車的設計研究工作進行了簡要闡述與分析，希望能夠推動無人消毒小車在地鐵等行業領域的應用及推廣。

無人消毒小車；智能循跡小車分類；整體設計；軟件設計

應用于地鐵市場的無人消毒小車是通過自動循跡功能實現在地鐵車廂及過道中的移動。同時，在小車上配備相應的紫外燈，以完成消毒工作。這種方式不僅提高了地鐵消毒工作的效率，極大方便了地鐵消毒工作的開展，而且為地鐵環境的安全衛生保障和地鐵消毒制度的規范起到良好的保障作用。

1 智能循跡小車概述及分類

1.1 智能循跡小車概述

智能循跡小車是一種新型智能搬運機器人，其主要研發和制造原理是在運輸車上安裝配置電磁、光學或者其他自動引導裝置，以引導并約束運輸車能夠按照制定的路徑行駛。

智能循跡小車主要采用充電蓄電池為動力電源，這樣就可以利用電腦程序來控制電源的工作量，以實現對運輸車的運動軌跡及相關動作命令的執行控制。此外，還可以將電磁軌道粘貼在運動線路上，確保運輸車按照固定的行駛路線來運動。

1.2 智能循跡小車分類

現階段，智能循跡小車的應用范圍不斷被擴大，其應用類型也隨之增加。一般情況下，智能循跡小車的應用類型主要是根據導航方式而劃分的，主要分為電磁感應式、激光式和視覺式。

1.2.1 電磁感應式

電磁感應式智能循跡小車主要適用于地面工作，而且對于大型或者中大型的運輸車，大多數情況都是采用電磁感應式。首先需要在特定的工作路徑中預埋電線。然后在實際工作過程中，高頻電流通過導線時就會在其周圍產生相應的電磁場，而智能循跡小車本身配置兩個高性能的電磁感應傳感器，可以用來接收電磁信號并根據信號之間的差異性來分析判斷智能循跡小車是否按照預定的軌跡行駛。同時，智能循跡小車利用自動化控制系統根據信號的具體偏差值來實現對循跡小車運動轉向的控制。此外，電磁感應式智能循跡小車采用連續動態的閉環控制方式，更有利于循跡小車對運動軌跡進行跟蹤控制。

1.2.2 激光式

激光式智能循跡小車的應用范圍相對比較廣泛。這種類型的循跡小車自身配置有可旋轉的激光掃描器，其安裝位置可以是墻壁，也可以是工作環境中的支柱或者其他路徑，但是都需要具備高反射激光定位標志。這是因為激光式智能循跡小車主要是利用激光掃描器來發射和接收激光束，并通過車載計算機分析計算激光信號所反饋出的車輛位置和運動方向，將其與內置的數字地圖進行對比，以判斷出下一步循跡小車的運動方向，這種處理方式完全是自動化的。同時，激光信號可以采用紅外信號或者超聲波信號來替代，以轉變成由紅外引導和超聲引導的智能循跡小車。

1.2.3 視覺式

視覺引導式智能循跡小車是目前發展速度最快且較為成熟的一種技術手段，其主要由CCD攝像機、傳感器和車載計算機組成，并將循跡小車的行駛路徑及周圍環境圖像數據等提前存儲在計算機數據庫中。在實際運動過程中，實時調取相機獲取的圖像與數據庫中的信息相比較，以精準掌握循跡小車當前的位置和運動軌跡情況，并對后續運動動向作出相應的判斷。視覺式引導智能循跡小車的優勢在于不需要內部設置特定人工物理路徑，具有較強的靈活性。但是隨著計算機技術和互聯網技術的發展，發現視覺式智能循跡小車的實用性不強。

2 智能循跡無人消毒小車整體設計方案

2.1 系統基本組成

地鐵無人消毒小車主要由 STM32F103ZET6單片機主控系統、銀爾達漫反射激光循跡模塊、TB6600 57步進電機驅動器控制器驅動模塊、直流電機、小車底板、電源模塊等組成。智能循跡小車控制系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2.2 主要結構設計

主控電路：由于STM32F103ZET6單片機具有低成本、高性能、抗干擾能力強、超低功耗、低電磁干擾的優點，因此將其作為控制單元，以方便燒錄程序、修改、調速等各項工作的進行。

循跡模塊：主要采用銀爾達漫反射激光循跡模塊，其主要工作原理是由激光傳感器中的振蕩管作為信號發射源來發射180 kHz頻率的震蕩波，然后該震蕩波經三極管放大和激光管發光，同時采用與180 kHz相匹配的接收管來接收返回信號。需要注意的是，接收管只能接受相同頻率的反射光以防止可見光對反射激光的影響。

驅動模塊：采用TB6600 57步進電機驅動器控制器為驅動模塊。該驅動器的性能良好，具有高電壓、大電流、響應頻率高等優勢，同時，電機驅動芯片驅動能力強、操作方便，穩定性好，性能優良，此外，還具有脫機保持、提供節能的半自動電流鎖定功能和內置溫度保護和過流保護功能，能夠適應各種復雜電路的功能需求。此外，該驅動器的輸出電壓可以根據輸入電壓來自動調節，以滿足不同負載能力的功能需求。

步進電機：通常采用4臺57步進電動機。步進電動機是通過在電機的控制線上加上適當的電壓來實現電機的旋轉，并通過電壓量來控制電機的轉速。同時，還可以采用PWM 調速來調整電機轉速。

電源模塊：電源主要以交流蓄電池為主。電源使用過程中，需要轉換成直流并經穩壓芯片穩壓、降壓器降壓和電容濾波等處理提供給電機和單片機。

消毒模塊：主要采用紫外線消毒燈。這是因為紫外線消毒殺菌的原理在于破壞微生物的DNA結構，以使之失去繁殖和生存的功能。同時，該方法具有無色、無味、無化學物質遺留等特點。相比較于傳統的漂白粉殺菌技術更環保。

3 整體控制方案確定

總體來說，循跡小車是以引導線為運動軌跡，采用檢測系統對小車的實際運動路徑進行檢測，并將相關信息傳輸至單片機中進行處理分離，然后傳輸到驅動模塊來執行相關命令，對小車的直流電機等進行控制轉向，以確保小車能夠按照設定的路線行駛，并保證小車的運行速度和平穩性。無人小車的系統控制如圖2所示。

圖2 無人小車的系統控制框圖

地鐵無人消毒小車主要由STM32F103ZET6單片機、TB6600 57步進電機驅動器、激光傳感器和電機等組成，各個功能模塊相互配合組成相應的運行系統，其功能作用和工作原理和智能循跡小車相似。明顯區別在于地鐵無人消毒小車的電機自動配有減速齒輪機，不涉及調速的相關事項。

4 運動邏輯及軟件設計

4.1 小車運動邏輯

電機控制邏輯如下：以電機A為例，當使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機A反轉；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入，引腳IN2為低電平，電機A正轉。

4.2 軟件設計

對于地鐵無人消毒小車的軟件功能設計，一方面是采用激光模塊對小車的運動數據實時獲取分析，以判斷小車的運行狀態；另一方面是通過調整電機左右輪之間的轉速差來控制小車的運行姿態，其轉速差主要是依靠PID算法計算得出。

5 結語

綜上所述，地鐵無人消毒小車是在循跡小車的基礎上設計應用的，具有多方面的性能優勢，如電路簡單、操作方便、對使用環境要求較低等。因此，地鐵無人消毒小車不僅僅適用于地鐵上的消毒工作，而且也可以用于一些大型交通工具的消毒工作。相關部門在加強無人消毒小車的設計研究的同時，仍需要進一步拓展其應用范圍。

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［2］溫芮，陳錦鴻，王麗.基于藍牙控制技術的智能小車控制系統設計［J］.汽車零部件，2019（12）：1-4.

2095－6835（2020）20－0152－02

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.066

馬進（1999—），男，重慶人，本科，研究方向為自動化人工智能。

2019年國家級大學生創新創業項目“應用于地鐵市場的無人消毒小車”（編號：ZX190104302032）

〔編輯：嚴麗琴〕