校園小型無人駕駛清掃技術研究

●史立秋 程 亮 江 霖 王少俊

無人駕駛在乘用和物流貨運領域面臨的是開放式環境，要應對很多極端環境，需要積累大量經驗。而無人駕駛在環衛領域的應用場景更多是封閉式環境，不需要積累那么多數據和測試，能夠有效替換繁瑣、辛苦的環衛工作，降低環衛工作者工作強度，提高清掃效率，還可以解決高溫、霧霾、凌晨加班、影響交通等危險性條件的困擾，守護城市潔凈與美麗，具有商業和社會雙重價值①②③。

城市環衛清掃市場規模巨大，據粗略估算，全國道路清掃的費用已經接近萬億量級，而環衛公司60%以上是人力成本。無人駕駛清掃車每小時能行駛4 公里，清掃寬度在2～3 米之間，一輛車干的活相當于10～20 人的工作量，國外由于人力成本高和保潔標準的不同，市場規模更大④⑤⑥。

作為未來汽車的發展方向，無人駕駛技術備受社會各界的關注。自動駕駛汽車的技術主要依托于人工智能、視覺計算、雷達、監控裝置和全球定位系統的協同合作來實現，保證在沒有人類主動操作的前提下，電腦能獨立的控制車輛安全行駛⑦。

目前，已有部分企業的無人駕駛清掃車投向市場應用，清掃的基本功能都已實現，但在清掃裝置上均尚未做出創新突破。在保證車輛低速平穩行駛前提下，添加了清掃垃圾處理裝置，對垃圾存放進行調整，大大地提升了清掃效率⑧⑨⑩。

一、無人駕駛清掃車國內外研究現狀

相比較而言，國內低速自動駕駛公司更多的是投入到低速載貨上，而國外低速自動駕駛公司更多精力放在載人上。從整個環衛行業分析，現狀環衛作業主要是依靠人力勞動，且環衛行業普遍存在作業強度過高、作業環境惡劣、行業待遇偏低等等，所以國內環衛作業主要是農村大齡勞動力④。

2017 年9 月11 日，百度攜手智行者推出國內首款無人駕駛環衛車，實現我國無人駕駛環衛車的首次商用。

2018 年4 月24 日，酷哇攜手中聯環境發布全球首臺具備全路況清掃、智能路徑規劃的無人駕駛掃地車，該掃地車將于年內在蕪湖、合肥、長沙、上海等四所城市“落地”。

2018 年9 月，北京環衛集團推出7 款純電動無人駕駛環衛車投入試運營.

2018 年11 月，智行者和首鋼合作的無人駕駛清潔車“蝸小白”已正式投入量產，為園區提供機器人清掃配送服務。

2018 年12 月，宇通下線純電動無人駕駛掃路機投入運營。

2019 年7 月2 日，高仙機器人與浩睿智能聯合研發生產的第二代無人駕駛環衛車Ecodrive (愛科駕) SweeperG2 投入使用，首臺落地應用已于河南省鶴壁5G 產業園亮相。

“蝸小白”配備自主研發的高精度定位傳感器以及多個探測傳感器，集激光雷達、攝像頭、超聲波雷達等傳感器于一體，實現了自主作業④。清掃車脫離人工操作，自主在路面上完成清掃、灑水、垃圾收集等工作。“蝸小白”的出現極大地提高了清潔效率、降低了人工成本，同時讓清潔更智能。在外觀設計上，“蝸小白”去除了駕駛倉，以小巧可愛的形象強勢登陸市場，其輕巧的身軀能夠讓它服務于室內、室外等多元化的應用場景。

圖1 渦小白實物

來自仙途智能的一輛自動駕駛清掃車在德國威廉港內進行試運營，整車重1.2 噸、寬1.5，可實現自動蘇醒、貼邊清掃、自動避讓和自動泊車歸位等功能。仙途智能的核心技術360 度感知無人駕駛清潔車系統，通過360 度環繞攝像頭，清掃車可以對物體的分類進行準確識別；云端數據處理平臺，實現了車輛調度分配監控遠程控制；仿真引擎自動學習，在虛擬環境中實現日行千里，讓智能車可以自動完成啟動、清掃、避讓障礙物、識別紅綠燈、傾倒垃圾、停車等規律的動作。除了充電和加水，清掃車不受時間的限制，有效地將道路清掃保潔從低效率、高風險中解放出來，還可以減少擾民現象的發生。

圖2 仙途智能

從功能上看，目前的無人駕駛環衛技術已經相當完善，基本已滿足了環衛任務的標準要求，但還并未出現清掃設備處理上的再升級。

二、無人駕駛清掃車技術指標

校園小型無人駕駛環保清掃車具有清潔效率高、節約成本、有利于后期對垃圾進行處理、便于檢修的優點，設計標準嚴格遵照安全性、穩定性、功能實效性等多各原則。對該無人駕駛清掃車提出以下幾個方面的主要技術指標要求：（1） 額定功率：1000W；（2）工作電壓：24V；（3）電池類型：三元鋰電池；（4）清掃寬度：1m；（5）垃圾箱容量：125L；（6）設備占地面積：≤4.5m2；（7）設計壽命：≥3 年（8）最大行駛速度：5Km/h；（9）車輪：四個麥克納姆輪。

三、無人駕駛清掃車總體設計方案

校園小型無人駕駛清掃車的總體設計方案如圖3 所示。

圖3 總體方案設計路線圖

（一）傳感器系統

應用在無人車上的傳感器設備主要由以下幾類組成：

1.激光雷達。激光雷達的精度非常高，白天晚上都能正常工作，但是下雨下雪的話，會對它造成干擾。雖然說它擅長遠距離的偵測，但是近距離反倒不行，另外就是價格比較貴。

2.電磁波雷達。各種天氣情況都能用，而且在偵測物體的速度上特別有效。唯有一點，它的精度不如激光雷達那么高，但價格很便宜。

3.超聲波探測器：它的最大優勢就是，能夠準確地感知離自己近的物體，可以補足激光雷達遠視的盲區。而且體積小，價格也并不貴。

4.被動式視覺傳感：比較依賴光線，可以識別顏色。它可以看到紅綠燈和交通標識。

結合本設計無人駕駛清掃車，根據功能性要求，這里需要考慮的是如何測定車輛前方是否有障礙物或者行人，以及障礙物距離我們的車體到底還有多遠。

（二）動力系統選配

電源采用蓄電池，電能驅動更為適應校園場景，節能環保且充電方便。蓄電池作為儲能動力源的汽車，它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車行駛⑥。

純電動汽車可充電電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等，這些電池可以提供純電動汽車動力。同時，純電動汽車也通過電池來儲存電能，驅動電機運轉，讓車輛正常行駛。從安全性、功用性角度考慮，這里我們選用常規電池組，大約96 個4.2V 的鋰離子電池串聯。兩個直流電機清掃機組，兩個所述直流電機清掃機組均設置在所述車體的底部，將電源的電能轉化成機械能來驅動車體以及清掃機構。

（三）整車架構

整車的架構這里主要分為兩個部分，包括車身以及底板。

車身主要是需要考慮到各傳感器的位置安放，以及車輛的外觀結構。本文作者在車身頂部設置了激光雷達的安裝定位盒，在車身四周中心位置安放了紅外傳感器以及距離傳感器的定位盒。車體底板主要是起到承載車體內部各機構件的作用，在底板上面分別對無人駕駛清掃車的垃圾處理的吸塵器、攪碎機、壓縮箱、收集盒等部件進行位置合理劃分，即將吸塵器以及清掃機對稱分布在車身中間靠前位置，吸塵器的疏導通道導進中間的粉碎箱中，粉碎箱安放在吸塵器中間；壓縮箱位于粉碎箱后方；最后尾部是垃圾收集盒，通過導軌可從車體尾部拉出。

（四）清掃系統

清掃系統是本文的核心設計點，這里主要是將清掃系統大致劃分了掃地機、吸塵器、攪碎機、壓縮箱、垃圾收集盒幾部分。在車輛正常行駛的過程中，通過底部的掃地機將垃圾進行收集，由吸塵器通過管道將垃圾吸入車體，輸送到垃圾粉碎機中進行粉碎環節，粉碎后的垃圾再導入壓縮箱里通過液壓傳動壓件壓縮，減小垃圾的體積，最后送至垃圾收集盒中，垃圾收集盒位于車體末端，方便無人駕駛清掃車完成任務后進行垃圾處理。

四、結束語

設計一種針對校園這一特定環境的無人駕駛清掃車結構設計，根據其功能要求，主要把結構的研究內容劃分為傳感器系統的選配、動力系統的選配、車身系統的結構設計，以及清掃系統具備的機構等四部分內容來分析，核心思想就是將無人駕駛和清掃相結合。本文核心設計關鍵點主要體現在清掃系統，其中清掃系統主要包含了垃圾清掃機、吸塵器、垃圾粉碎箱、垃圾收集盒。核心設計亮點是具備垃圾處理功能，可將收集的垃圾進行粉碎及壓縮處理，大大提升了垃圾的收容運輸效率。

注釋：

①高曉紅.小型道路清掃車的研究與設計[J].工業儀表與自動化裝置，2019(05)：110- 113

②同濟大學. 一種帶有自動駕駛系統的多模式智能電動清掃車：CN201920249583.X[P].2019- 11- 01

③梁臣.多功能路面清掃車的結構原理與維護[J].智能城市，2019，5(04)：114- 115

④李靖.無人駕駛清掃開啟智慧環衛新時代[J].上海信息化，2019(06)：53- 55

⑤朱忠攀，吳憲，李剛，施超.低速無人清掃車遠程監控系統架構及控制模型[J].機電一體化，2017，23(12)：46- 50

⑥馮玉松，張叢叢.新能源清掃車電機驅動系統的設計[J].汽車實用技術，2018(23)：3- 5

⑦閔海濤，張明智，于遠彬，閻備戰.道路清掃車上裝作業機構智能化控制發展趨勢[J].專用汽車，2019(08)：64- 68

⑧鄂爾多斯市普渡科技有限公司.一種無人駕駛多功能道路清掃車：CN201811188570.2[P]. 2019- 01- 18

⑨李效義.壓縮式垃圾車翻桶機構的幾種型式及其設計要點分析[J].科技信息，2012(24)：402- 403

⑩Jo， K.，Sunwoo， M..Generation of a Precise Roadway Map for Autonomous Cars [J].IEEE transactions on intelligent transportation systems，2014，15(3)：925- 937