一種廣場清潔小車設計與研究

郭 湃，江秋儀，程清偉，張振裕，陳明翁，汪浩冉，宋宇航

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州510800）

1 研究背景及意義

隨著現代城市的發展，為城市居民提供休閑娛樂的大型廣場越來越多，而目前國內城市廣場清潔作業多由人工完成，勞動強度大、作業效率低。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。

純掃式清掃車設備結構簡單，清掃范圍寬，功率消耗小，適應性好，主要用于人口稠密的街道、市區以及大顆粒塊狀垃圾較多的場合。但這類清掃車對微細塵粒的除凈率較低，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車體以外。由于自身旋轉，盤刷可對邊角、路緣、護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，當吸嘴經過垃圾帶時，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，以其特有的性能優勢，逐漸在市場上嶄露頭角。真空吸塵車由于不安裝清掃機構并采用干式除塵方式，且吸嘴寬度即為清掃寬度，主要用于介質粉塵量大、密度高、抑止揚塵困難以及灑水除塵不方便的地區，清掃對象主要是煤粉、水泥、礦粉等粉塵狀垃圾。

2 廣場清潔小車的設計方案

2.1 廣場清潔小車研究內容與方法

目前國內城市廣場清潔作業多由人工完成，勞動強度大、作業效率低。因此，筆者們設計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衛車和室內小型吸塵清潔機。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構、感知模塊、控制模塊、垃圾收集機構。對清潔小車在城市廣場運行過程中的避障方法進行了研究，設計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純掃式清掃車設備結構簡單，清掃范圍寬，功率消耗小，適應性好，主要用于人口稠密的街道、市區以及大顆粒塊狀垃圾較多的場合。但這類清掃車對于微細塵粒的除凈率較低，清掃效果不理想。②在較小的空間內實現其移動功能、地面清潔功能與垃圾回收功能，保證清潔機結構的合理性與功能實現。③清潔機為減少自身纏繞電線，一般都用移動電源為系統供電。為了能多次使用，都采用可充電電池。使用自主充電技術可以保證清潔機高效、安全、長時間進行清掃工作。④利用眾多的傳感器，清潔機能檢測并分析出自己所在位置、廣場大小及臟亂程度、環境的配置等。

結合地面清潔現狀，嘗試設計一款清潔小車，具體特征和功能如下：①智能操作一體化，可利用手機或者電腦設備連接Wi-Fi 遠程控制來清洗機器。②檢測過程自動化，檢測系統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、環境的配置等。③產品整體視覺美觀化。產品符合實用性要求，在公共場合不妨礙路人，且能夠增添科技感。

2.2 清潔結構

清潔小車的清潔機構主要由前端、中端、后端三個結構組成，其結構如圖1 所示。前端清潔機構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，通過設計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。中端清潔機構位于前端清潔機構下方，通過設計刷子與檔板的距離清掃回收前端清潔機構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，節省空間，使整體結構緊湊，同時節省垃圾運到垃圾桶的時間，達到減少能量消耗的目的。垃圾桶位于前中端清潔機構之后后端清潔機構和吸塵器之前，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構清掃的較小垃圾。后端清潔機構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構最終都將清掃的垃圾全部移送到指定垃圾桶，對垃圾進行簡單的大小分類。

圖1 清潔小車整體結構示意圖

2.3 避障模塊

與光學傳感器相比，超聲傳感技術的優點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，清潔機本身和家庭設施的防護方面明顯優于使用紅外線傳感系統的清潔機。

2.4 創新點

結構設計方面，在較小的空間內實現其移動功能、地面清潔功能與垃圾收集功能，保證清潔機結構的合理性與功能實現。

清潔機的路徑規劃必須實現“遍歷”這一功能，并使覆蓋率盡可能大和重復率盡可能小。使路徑規劃過程的算法誤差盡可能小，保證清潔機正常穩定工作。

清潔機配置多種傳感器，用以獲取自身工作狀況信息和實現對清潔機自身動作的控制。同時集成避障傳感器、防碰撞傳感器與運動控制系統，并通過傳感與控制技術實現清潔機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，對小車進行實時監控，將信息反饋到技術員手機上，實行遠程遙控。

2.5 工作原理

清潔小車進入工作狀態后，清潔車通過攝像識別開始行走工作，根據程序設計的路線進行清潔，由STM32 控制清掃裝置開始清掃，然后集中回收。清潔小車前進清潔過程中，當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構進行清掃，若沒有，則只啟動中后端清潔機構，減少電量的消耗，使其有更高的續航能力。當中端清潔機構啟動時，清掃類似于紙團、垃圾袋等體積較小垃圾，然后收集在指定的垃圾桶中，后端清潔機構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，操縱人員根據攝像頭查看清潔情況決定接下來的工作程序，結束工作、充電待命，或再進行一次清潔。

3 總結與展望

本文對當前國內外清潔機器人研究進行了深入研究，設計了一款以STM32 控制為主控制器，采用模塊化設計，結構緊湊，可實現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度，提高了工作效率。同時該裝置機構比較簡單，但清潔功能齊全，生產成本較低，性價比高。筆者后續將對該產品設計方案進行不斷優化，如改善結構設計，使清潔機器人的結構更輕巧，使避障功能更加完善和智能化，從而實現現量化生產該產品，更好地造福全社會和全人類。