一種自動(dòng)跟隨可避障的城市智能吸塵器

劉朝彤 李振龍 李星 齊昊添 黃森

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】目前傳統(tǒng)的清潔工具，環(huán)衛(wèi)工人使用起來(lái)并不方便，有些夾縫垃圾清理困難，人工打掃的效率十分低下。針對(duì)該現(xiàn)狀，論文提出了智能城市吸塵器。其前段配備的粗吸塵管可吸走塵土、樹葉、紙屑以及飲料瓶等垃圾，而且角落位置也便于清掃;其內(nèi)部加有垃圾粗分揀裝置，對(duì)垃圾進(jìn)行預(yù)處理，減輕后續(xù)分揀負(fù)擔(dān)，利于提高垃圾回收率。它不僅像普通掃地機(jī)一樣可清掃平坦路面，在加入上下臺(tái)階的功能設(shè)計(jì)后適應(yīng)的場(chǎng)所更加廣泛，可適應(yīng)崎嶇的草坪、有臺(tái)階的廣場(chǎng)等各種環(huán)境。此外，它配備了自動(dòng)跟隨的功能，可以跟隨環(huán)衛(wèi)工人移動(dòng)，節(jié)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.

【關(guān)鍵詞】清潔工具;垃圾粗分類;智能

【Keywords】cleaning tools; garbage rough classification; intelligence

【中圖分類號(hào)】TP23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）05-0159-03

1 引言

利用現(xiàn)有的吸塵器的原理，從產(chǎn)品的外觀造型、功能、色彩等方面來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，考慮到更加舒適的持握方式和方便的使用方式，設(shè)計(jì)出一款實(shí)用的智能城市吸塵器，代替環(huán)衛(wèi)工人傳統(tǒng)清潔工具，減輕工作任務(wù)，提高工作效率。

2 研究的主要問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)清潔工具清潔度有限，且工作效率低

我國(guó)目前最常見的清潔裝備就是掃帚簸箕兩件套，清潔工們需要每天帶著這些工具到城市的各個(gè)角落清掃垃圾，主要清掃街道、廣場(chǎng)、河岸、公園以及大型室內(nèi)集會(huì)場(chǎng)所等公共區(qū)域。由于垃圾分散度較高，可清潔部位多而雜，清潔工人每天的清掃任務(wù)繁重，工作效率低下且易造成勞作損傷。所以，清潔工人需要一款操作方便且適用性廣泛的清潔工具來(lái)提高效率，解放人力。

2.2 垃圾混合搜集，后續(xù)分揀工作繁雜

當(dāng)前垃圾分類回收被我國(guó)國(guó)家層面高度重視，其所涉及的環(huán)境資源問(wèn)題也與人民生活密切相關(guān)，踐行垃圾分類是每個(gè)公民的義務(wù)和責(zé)任。而我國(guó)垃圾分類現(xiàn)狀多為混合搜集，處理之前進(jìn)行分揀工作，這樣從末端做起的垃圾分類效果甚微，而且分揀效率低，分類程度差。所以垃圾分類應(yīng)從源頭做起，在垃圾搜集的同時(shí)進(jìn)行分揀預(yù)處理。但是環(huán)衛(wèi)工人在清掃垃圾的同時(shí)沒有太多精力和工具能滿足分揀需求，所以，擁有一款帶有分揀功能的清潔工具十分必要。

2.3 一般掃地機(jī)的適用局限性，不能行走于各種地形

目前市面上已有的掃地機(jī)，無(wú)論是手推式還是駕駛式，絕大多數(shù)僅適用于平坦地面，對(duì)于人行道、公園以及體育場(chǎng)等場(chǎng)所設(shè)有崎嶇路面或臺(tái)階的并不完全適用。而且公共場(chǎng)所的垃圾用于保持機(jī)身平穩(wěn)的狀態(tài)下可上臺(tái)階，行走于各種崎嶇地形。打破了現(xiàn)有掃地機(jī)的使用局限性，應(yīng)用范圍更加廣泛。

2.4 現(xiàn)有清潔工具操作困難，未能實(shí)現(xiàn)智能化

傳統(tǒng)清潔工具多為人力操作，較為笨重使用不便捷。如今市面上推出的戶外掃地機(jī)也多是人工駕駛或推扶著操作使用，不能解放雙手，耗時(shí)耗力。該智能城市吸塵器擁有一個(gè)智能控制系統(tǒng)，可感應(yīng)主人所在，無(wú)需操作便可跟隨其后自主行走，無(wú)論是上下臺(tái)階，還是走上下坡路都能自我調(diào)控速度和方向，并能感應(yīng)到主人的停止而停止。智能化清潔工具能大大減輕清潔工人的工作負(fù)擔(dān)，操作起來(lái)方便快捷，在減輕工作任務(wù)的同時(shí)提高工作效率。

3 城市智能吸塵器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 吸塵功能的改善設(shè)計(jì)

從“形式追隨功能”的角度，把整體設(shè)計(jì)成輕便式造型，并且在設(shè)計(jì)中對(duì)手持吸塵器管道的功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，軟管加硬質(zhì)管的結(jié)合使之可適用于多種部位的清潔工作，吸塵管道加粗至直徑10cm，使之還能吸收除塵土以外的紙屑、塑料袋以及飲料瓶等多種類型的垃圾并且方便操作。硬質(zhì)管道設(shè)計(jì)如圖1所示。該吸塵器設(shè)有近2700W的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，風(fēng)機(jī)葉輪在電動(dòng)機(jī)高速驅(qū)動(dòng)下，將葉輪中的空氣高速排出風(fēng)機(jī)，同時(shí)使吸塵部分內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)，與外界形成較高的壓差，強(qiáng)大的吸力使其具有超強(qiáng)的清潔力度。吸管口的塵埃、臟物隨空氣被吸入吸塵部分，并經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，將塵埃、臟物收集于垃圾桶內(nèi)。此外，吸塵管口設(shè)計(jì)有一個(gè)萬(wàn)向輪和一個(gè)旋轉(zhuǎn)毛刷，萬(wàn)向輪起到靈活的支點(diǎn)作用，減少人力的消耗。而旋轉(zhuǎn)毛刷可在吸垃圾時(shí)隨時(shí)開啟，用于清掃頑固性臟污。

吸塵的輪葉和電機(jī)設(shè)在內(nèi)腔垃圾桶的側(cè)壁外，與輪葉接通的側(cè)壁處設(shè)有預(yù)過(guò)濾網(wǎng)和精過(guò)濾網(wǎng)，兩層過(guò)濾網(wǎng)能在保證空氣流通無(wú)阻的同時(shí)，過(guò)濾隨垃圾進(jìn)入的空氣，排放出清潔空氣，避免環(huán)境污染。

3.2 垃圾分揀功能的設(shè)計(jì)

收集來(lái)的垃圾，種類繁多，很多垃圾都是可再回收的。但考慮到吸塵器工作的環(huán)境，其收集來(lái)的垃圾品類中，可回收垃圾大多數(shù)是塑料瓶和易拉罐，所以分類的主要目標(biāo)就是將塑料瓶、易拉罐這幾種有回收價(jià)值的垃圾與其他垃圾分離開。利用現(xiàn)有的吸塵器原理，將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。分揀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

吸塵器內(nèi)部在與吸塵管道銜接處的下方加設(shè)一道長(zhǎng)條狀的篩網(wǎng)，篩網(wǎng)向下傾斜30°左右，每?jī)筛Q條間隔大約5cm，并且該篩網(wǎng)同時(shí)上下左右方向振動(dòng)。吸入的垃圾從篩網(wǎng)上端進(jìn)入，由于重力和吸力作用，自動(dòng)下落至篩網(wǎng)上。此時(shí)，塵土、紙屑和樹葉等小于篩網(wǎng)間隔的垃圾，就會(huì)從空隙中漏下，進(jìn)入收集的“不可回收”垃圾桶中。而篩網(wǎng)上的塑料瓶和易拉罐等口徑均大于篩網(wǎng)的間隔的垃圾則會(huì)順著篩網(wǎng)傾斜方向，滑向低端，進(jìn)入“可回收”垃圾桶中。同時(shí)篩網(wǎng)的不斷振動(dòng)，保證了一些因?yàn)榭ざ鵁o(wú)法漏下的“不可回收”垃圾能順利地進(jìn)入垃圾桶中。

3.3 上下臺(tái)階功能的設(shè)計(jì)

為解決現(xiàn)有掃地機(jī)適用場(chǎng)地的局限性，使該吸塵器不僅能行駛在平坦路面，還能平穩(wěn)地行駛在崎嶇路面甚至完成上下臺(tái)階功能，我們對(duì)吸塵器的輪子進(jìn)行了巧妙的設(shè)計(jì)。吸塵器底部共設(shè)計(jì)有7個(gè)輪子，沿長(zhǎng)度方向從前向后依次為一個(gè)雙前輪、一對(duì)雙輪的中間輪和一對(duì)后輪，如圖3所示。

前輪的設(shè)計(jì)借鑒搖臂式升落架原理，在承力支柱下端安裝有一個(gè)搖臂，類似于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，搖臂的一端與承力支柱通過(guò)一個(gè)萬(wàn)向節(jié)相連，另一端與前輪相連。搖臂改變了前輪的受力狀態(tài)和承受迎面撞擊性能，也提高了在復(fù)雜路面上的適應(yīng)性。承力支柱作為曲柄，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與連桿相連，連桿與機(jī)架以滑塊相連，共同控制前輪上下運(yùn)動(dòng)，能夠首先適應(yīng)臺(tái)階等各種路面的高度，從而帶動(dòng)中后輪依次平穩(wěn)行駛。搖臂與承力支柱以萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，根據(jù)控制器給出的指令實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。此外，連桿與機(jī)架之間以一個(gè)減震器相連，起到支撐和減震作用，提高穩(wěn)定性。

中間輪的每個(gè)雙輪是利用一對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，其支架與地面形成穩(wěn)定性較好的三角形，當(dāng)行駛在不平穩(wěn)路面時(shí)起到交替支撐的作用，在前后輪分別控制轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)時(shí)起到過(guò)渡作用，減小整體在不平地面前進(jìn)時(shí)的擺動(dòng)，提高穩(wěn)定性。

后輪則起到驅(qū)動(dòng)作用，通過(guò)連接電機(jī)為輪系提供動(dòng)力。而且后輪規(guī)格最大，支撐性能較好，且在臺(tái)階等復(fù)雜路面也能保持平穩(wěn)性。無(wú)論在水平路面，還是斜坡路面甚至是臺(tái)階等復(fù)雜路面行駛時(shí)，前中后輪總能時(shí)刻保持相切在同一條直線上，具有良好的穩(wěn)定性。

3.4 智能跟隨功能的設(shè)計(jì)

基于Bluetooth4.0的自動(dòng)跟蹤智能系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，一個(gè)主藍(lán)牙與兩個(gè)從藍(lán)牙同時(shí)進(jìn)行配對(duì)，從而構(gòu)建出藍(lán)牙無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。主藍(lán)牙從協(xié)議棧中提取來(lái)自兩個(gè)從藍(lán)牙的接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）數(shù)據(jù)并傳輸給K60微控制器進(jìn)行處理，微控制器根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)控制吸塵器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和行進(jìn)方向，如圖4所示。

3.4.1 藍(lán)牙配對(duì)

利用IAR編譯軟件對(duì)Bluetooth4.0模塊進(jìn)行開發(fā)，對(duì)廣播間隔、最大掃描從機(jī)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行修改。設(shè)備開機(jī)后主藍(lán)牙開始進(jìn)行廣播掃描，得到從藍(lán)牙的mac地址，經(jīng)選擇確認(rèn)便可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的主從配對(duì)。配對(duì)之后的通信過(guò)程不再受其他外來(lái)信號(hào)干擾，由此確保了藍(lán)牙配對(duì)的唯一性與穩(wěn)定性，即兩個(gè)從藍(lán)牙只能與一個(gè)主藍(lán)牙進(jìn)行配對(duì)且工作過(guò)程不易中斷。

3.4.2 微控制器智能控制

主藍(lán)牙從協(xié)議棧中提取兩個(gè)從藍(lán)牙的RSSI數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給微控制器。微控制器采用10ms定時(shí)器中斷的方式接收并存放主藍(lán)牙分時(shí)發(fā)送的兩個(gè)從藍(lán)牙的RSSI數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖均值濾波，消除雜波后得到兩個(gè)穩(wěn)定的RSSI數(shù)據(jù)。微控制器將兩個(gè)穩(wěn)定的RSSI值進(jìn)行比較，依據(jù)RSSI的值越小則信號(hào)強(qiáng)度越弱且距離越遠(yuǎn)，判斷出當(dāng)前具有較小RSSI的是距離最遠(yuǎn)的從藍(lán)牙。將兩個(gè)從藍(lán)牙的RSSI數(shù)據(jù)進(jìn)行作差，差值通過(guò)PID算法加入舵機(jī)控制中，由此便可實(shí)現(xiàn)吸塵器的自動(dòng)跟隨。另外，微控制器通過(guò)設(shè)定一個(gè)RSSI的閾值來(lái)控制吸塵器與操作者的距離，當(dāng)RSSI當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度大于該閾值時(shí)，吸塵器減速，反之則加速，以此保證操作者與吸塵器之間的實(shí)際距離能夠保持在一定范圍內(nèi)。

3.4.3 避障模塊

避障模塊選用了三個(gè)紅外避障傳感器，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、性價(jià)比高、易裝配等特點(diǎn)。三個(gè)傳感器位于吸塵器前部，并呈一定角度排列，分別用于檢測(cè)左前方、正前方、右前方三個(gè)方向的障礙物。吸塵器前部接近物體時(shí)，傳感器會(huì)輸出數(shù)字信號(hào)（1個(gè)低電平信號(hào)），通過(guò)讀取電平信號(hào)即可判斷吸塵器前方有無(wú)障礙，從而避免自動(dòng)跟隨途中碰撞事件的發(fā)生。

3.5 設(shè)計(jì)效果圖

智能城市吸塵器設(shè)計(jì)效果圖如圖5所示。

4 結(jié)論

該智能城市吸塵器，用于清掃道路、公園等公共場(chǎng)所的垃圾，其特有的六足底盤適用于各種地形，打破了目前市面上有的大多是適用于平坦道路的掃地機(jī)的局限性，既能在崎嶇的路面穩(wěn)定前行，又能翻越臺(tái)階清掃每一處地方;其利用吸塵器原理改善現(xiàn)有的吸塵管道，可徹底清潔各種贓物;內(nèi)設(shè)垃圾粗分揀功能，為后續(xù)分揀工作減輕負(fù)擔(dān);其智能控制系統(tǒng)可智能感應(yīng)自動(dòng)跟隨，解放環(huán)衛(wèi)工人的雙手，減少疲勞損傷的可能性。這是一款人工智能的清潔工具，提高清潔程度和清潔效率的同時(shí)，也降低了勞動(dòng)成本，在如今智能化時(shí)代下十分適用。

此智能城市吸塵器方便好用，可由環(huán)衛(wèi)公司購(gòu)入，作為環(huán)衛(wèi)工人的清潔工具。其較于已有掃地機(jī)，可自行上下臺(tái)階，且體積適中。因此，可應(yīng)用于清掃人流量較大的商場(chǎng)，設(shè)有各種固定休閑娛樂(lè)設(shè)施或樓梯臺(tái)階的城市街道、公園、學(xué)校、景區(qū)、醫(yī)院和體育場(chǎng)等公共場(chǎng)所。

【參考文獻(xiàn)】

【1】孫恒.機(jī)械原理（第八版）[M].石家莊：高等教育出版社，2013.

【2】陶磊，龔博.智能小車坡度采集與避障模塊的設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（04）：89-91.

【3】覃超妹，李潮平，岑澤銘，等.基于藍(lán)牙模塊的自動(dòng)跟蹤智能行李箱系統(tǒng)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（06）：150-151+155.