一种自动跟随可避障的城市智能吸尘器
时间：2020-07-28 03:36:43 来源：达达文档网 本文已影响 人 
刘朝彤 李振龙 李星 齐昊添 黄森
An Urban Intelligent Vacuum Cleaner that Automatically Follows and Avoidable Obstacles
LIU Zhao-tong， LI Zhen-long， LI Xing， QI Hao-tian， HUANG Sen
【摘 要】目前传统的清洁工具，环卫工人使用起来并不方便，有些夹缝垃圾清理困难，人工打扫的效率十分低下。针对该现状，论文提出了智能城市吸尘器。其前段配备的粗吸尘管可吸走尘土、树叶、纸屑以及饮料瓶等垃圾，而且角落位置也便于清扫;其内部加有垃圾粗分拣装置，对垃圾进行预处理，减轻后续分拣负担，利于提高垃圾回收率。它不仅像普通扫地机一样可清扫平坦路面，在加入上下台阶的功能设计后适应的场所更加广泛，可适应崎岖的草坪、有台阶的广场等各种环境。此外，它配备了自动跟随的功能，可以跟随环卫工人移动，节省人力，提高效率。
【Abstract】At present， the traditional cleaning tools are not convenient for sanitation workers. Some of the crevices are difficult to clean， and the efficiency of manual cleaning is very low. In view of this situation， this paper proposes an intelligent city vacuum cleaner. The front section is equipped with a coarse suction pipe to absorb dust， leaves， paper scraps， beverage bottles and other garbage， and the corners are also easy to clean; the interior is equipped with a coarse garbage sorting device to carry out pretreatment of garbage， reduce the burden of subsequent sorting， and improve the garbage recovery rate. It can not only sweep the flat road like the ordinary sweeper， but also adapt to a wider range of places after adding the function design of up and down steps， such as rugged lawn， square with steps and other environments. In addition， it is equipped with an automatic follow function， which can follow sanitation workers to move， saving manpower and improving efficiency.
【关键词】清洁工具;垃圾粗分类;智能
【Keywords】cleaning tools; garbage rough classification; intelligence
【中图分类号】TP23 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2020）05-0159-03
1 引言
利用现有的吸尘器的原理，从产品的外观造型、功能、色彩等方面来进行设计，结合人机工程学原理，考虑到更加舒适的持握方式和方便的使用方式，设计出一款实用的智能城市吸尘器，代替环卫工人传统清洁工具，减轻工作任务，提高工作效率。
2 研究的主要问题
2.1 传统清洁工具清洁度有限，且工作效率低
我国目前最常见的清洁装备就是扫帚簸箕两件套，清洁工们需要每天带着这些工具到城市的各个角落清扫垃圾，主要清扫街道、广场、河岸、公园以及大型室内集会场所等公共區域。由于垃圾分散度较高，可清洁部位多而杂，清洁工人每天的清扫任务繁重，工作效率低下且易造成劳作损伤。所以，清洁工人需要一款操作方便且适用性广泛的清洁工具来提高效率，解放人力。
2.2 垃圾混合搜集，后续分拣工作繁杂
当前垃圾分类回收被我国国家层面高度重视，其所涉及的环境资源问题也与人民生活密切相关，践行垃圾分类是每个公民的义务和责任。而我国垃圾分类现状多为混合搜集，处理之前进行分拣工作，这样从末端做起的垃圾分类效果甚微，而且分拣效率低，分类程度差。所以垃圾分类应从源头做起，在垃圾搜集的同时进行分拣预处理。但是环卫工人在清扫垃圾的同时没有太多精力和工具能满足分拣需求，所以，拥有一款带有分拣功能的清洁工具十分必要。
2.3 一般扫地机的适用局限性，不能行走于各种地形
目前市面上已有的扫地机，无论是手推式还是驾驶式，绝大多数仅适用于平坦地面，对于人行道、公园以及体育场等场所设有崎岖路面或台阶的并不完全适用。而且公共场所的垃圾用于保持机身平稳的状态下可上台阶，行走于各种崎岖地形。打破了现有扫地机的使用局限性，应用范围更加广泛。
2.4 现有清洁工具操作困难，未能实现智能化
传统清洁工具多为人力操作，较为笨重使用不便捷。如今市面上推出的户外扫地机也多是人工驾驶或推扶着操作使用，不能解放双手，耗时耗力。该智能城市吸尘器拥有一个智能控制系统，可感应主人所在，无需操作便可跟随其后自主行走，无论是上下台阶，还是走上下坡路都能自我调控速度和方向，并能感应到主人的停止而停止。智能化清洁工具能大大减轻清洁工人的工作负担，操作起来方便快捷，在减轻工作任务的同时提高工作效率。
3 城市智能吸尘器的创新设计
3.1 吸尘功能的改善设计
从“形式追随功能”的角度，把整体设计成轻便式造型，并且在设计中对手持吸尘器管道的功能进行创新设计，软管加硬质管的结合使之可适用于多种部位的清洁工作，吸尘管道加粗至直径10cm，使之还能吸收除尘土以外的纸屑、塑料袋以及饮料瓶等多种类型的垃圾并且方便操作。硬质管道设计如图1所示。该吸尘器设有近2700W的大功率发动机，风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机，与外界形成较高的压差，强大的吸力使其具有超强的清洁力度。吸管口的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过滤器过滤，将尘埃、脏物收集于垃圾桶内。此外，吸塵管口设计有一个万向轮和一个旋转毛刷，万向轮起到灵活的支点作用，减少人力的消耗。而旋转毛刷可在吸垃圾时随时开启，用于清扫顽固性脏污。
吸尘的轮叶和电机设在内腔垃圾桶的侧壁外，与轮叶接通的侧壁处设有预过滤网和精过滤网，两层过滤网能在保证空气流通无阻的同时，过滤随垃圾进入的空气，排放出清洁空气，避免环境污染。
3.2 垃圾分拣功能的设计
收集来的垃圾，种类繁多，很多垃圾都是可再回收的。但考虑到吸尘器工作的环境，其收集来的垃圾品类中，可回收垃圾大多数是塑料瓶和易拉罐，所以分类的主要目标就是将塑料瓶、易拉罐这几种有回收价值的垃圾与其他垃圾分离开。利用现有的吸尘器原理，将其内部结构进行改善。分拣结构设计如图2所示。
吸尘器内部在与吸尘管道衔接处的下方加设一道长条状的筛网，筛网向下倾斜30°左右，每两根竖条间隔大约5cm，并且该筛网同时上下左右方向振动。吸入的垃圾从筛网上端进入，由于重力和吸力作用，自动下落至筛网上。此时，尘土、纸屑和树叶等小于筛网间隔的垃圾，就会从空隙中漏下，进入收集的“不可回收”垃圾桶中。而筛网上的塑料瓶和易拉罐等口径均大于筛网的间隔的垃圾则会顺着筛网倾斜方向，滑向低端，进入“可回收”垃圾桶中。同时筛网的不断振动，保证了一些因为卡壳而无法漏下的“不可回收”垃圾能顺利地进入垃圾桶中。
3.3 上下台阶功能的设计
为解决现有扫地机适用场地的局限性，使该吸尘器不仅能行驶在平坦路面，还能平稳地行驶在崎岖路面甚至完成上下台阶功能，我们对吸尘器的轮子进行了巧妙的设计。吸尘器底部共设计有7个轮子，沿长度方向从前向后依次为一个双前轮、一对双轮的中间轮和一对后轮，如图3所示。
前轮的设计借鉴摇臂式升落架原理，在承力支柱下端安装有一个摇臂，类似于曲柄滑块机构，摇臂的一端与承力支柱通过一个万向节相连，另一端与前轮相连。摇臂改变了前轮的受力状态和承受迎面撞击性能，也提高了在复杂路面上的适应性。承力支柱作为曲柄，通过万向节与连杆相连，连杆与机架以滑块相连，共同控制前轮上下运动，能够首先适应台阶等各种路面的高度，从而带动中后轮依次平稳行驶。摇臂与承力支柱以万向节的转动副相连，根据控制器给出的指令实现转弯功能。此外，连杆与机架之间以一个减震器相连，起到支撑和减震作用，提高稳定性。
中间轮的每个双轮是利用一对转动副相连，其支架与地面形成稳定性较好的三角形，当行驶在不平稳路面时起到交替支撑的作用，在前后轮分别控制转向和驱动时起到过渡作用，减小整体在不平地面前进时的摆动，提高稳定性。
后轮则起到驱动作用，通过连接电机为轮系提供动力。而且后轮规格最大，支撑性能较好，且在台阶等复杂路面也能保持平稳性。无论在水平路面，还是斜坡路面甚至是台阶等复杂路面行驶时，前中后轮总能时刻保持相切在同一条直线上，具有良好的稳定性。
3.4 智能跟随功能的设计
基于Bluetooth4.0的自动跟踪智能系统的功能结构，一个主蓝牙与两个从蓝牙同时进行配对，从而构建出蓝牙无线通信网络。主蓝牙从协议栈中提取来自两个从蓝牙的接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）数据并传输给K60微控制器进行处理，微控制器根据处理后的数据控制吸尘器的电机驱动和行进方向，如图4所示。
3.4.1 蓝牙配对
利用IAR编译软件对Bluetooth4.0模块进行开发，对广播间隔、最大扫描从机数等参数进行修改。设备开机后主蓝牙开始进行广播扫描，得到从蓝牙的mac地址，经选择确认便可实现蓝牙的主从配对。配对之后的通信过程不再受其他外来信号干扰，由此确保了蓝牙配对的唯一性与稳定性，即两个从蓝牙只能与一个主蓝牙进行配对且工作过程不易中断。
3.4.2 微控制器智能控制
主蓝牙从协议栈中提取两个从蓝牙的RSSI数据，将数据通过串口发送给微控制器。微控制器采用10ms定时器中断的方式接收并存放主蓝牙分时发送的两个从蓝牙的RSSI数据，对数据进行脉冲均值滤波，消除杂波后得到两个稳定的RSSI数据。微控制器将两个稳定的RSSI值进行比较，依据RSSI的值越小则信号强度越弱且距离越远，判断出当前具有较小RSSI的是距离最远的从蓝牙。将两个从蓝牙的RSSI数据进行作差，差值通过PID算法加入舵机控制中，由此便可实现吸尘器的自动跟随。另外，微控制器通过设定一个RSSI的阈值来控制吸尘器与操作者的距离，当RSSI当前信号强度大于该阈值时，吸尘器减速，反之则加速，以此保证操作者与吸尘器之间的实际距离能够保持在一定范围内。
3.4.3 避障模块
避障模块选用了三个红外避障传感器，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、性价比高、易装配等特点。三个传感器位于吸尘器前部，并呈一定角度排列，分别用于检测左前方、正前方、右前方三个方向的障碍物。吸尘器前部接近物体时，传感器会输出数字信号（1个低电平信号），通过读取电平信号即可判断吸尘器前方有无障碍，从而避免自动跟随途中碰撞事件的发生。
3.5 设计效果图
智能城市吸尘器设计效果图如图5所示。
4 结论
该智能城市吸尘器，用于清扫道路、公园等公共场所的垃圾，其特有的六足底盘适用于各种地形，打破了目前市面上有的大多是适用于平坦道路的扫地机的局限性，既能在崎岖的路面稳定前行，又能翻越台阶清扫每一处地方;其利用吸尘器原理改善现有的吸尘管道，可彻底清洁各种赃物;内设垃圾粗分拣功能，为后续分拣工作减轻负担;其智能控制系统可智能感应自动跟随，解放环卫工人的双手，减少疲劳损伤的可能性。这是一款人工智能的清洁工具，提高清洁程度和清洁效率的同时，也降低了劳动成本，在如今智能化时代下十分适用。
此智能城市吸尘器方便好用，可由环卫公司购入，作为环卫工人的清洁工具。其较于已有扫地机，可自行上下台阶，且体积适中。因此，可应用于清扫人流量较大的商场，设有各种固定休闲娱乐设施或楼梯台阶的城市街道、公园、学校、景区、医院和体育场等公共场所。
【参考文献】
【1】孙恒.机械原理（第八版）[M].石家庄：高等教育出版社，2013.
【2】陶磊，龚博.智能小车坡度采集与避障模块的设计研究[J].汽车实用技术，2020（04）：89-91.
【3】覃超妹，李潮平，岑泽铭，等.基于蓝牙模块的自动跟踪智能行李箱系统[J].现代信息科技，2020，4（06）：150-151+155.
