室外移動洗手臺的設(shè)計與研究

王 鵬，欒海山，劉志輝，夏一建，于鳳淼，王開寶

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132013)

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的加快，城市人口數(shù)量增長速度越來越快，伴隨而來的人們對公共設(shè)施的需求也在不斷地提高.近年來，人們對環(huán)境衛(wèi)生領(lǐng)域的重視程度不斷提高，國家近年來發(fā)布了多條關(guān)于環(huán)境衛(wèi)生的政策決定，旨在改善環(huán)境、提高衛(wèi)生意識，而公共衛(wèi)生服務是建設(shè)過程中尤為重要的部分.2020年新冠疫情的襲來，對我國對公共衛(wèi)生建設(shè)服務提出了更高的要求，“勤洗手”這一習慣又被人們重視起來[1].

洗手臺作為公共衛(wèi)生服務領(lǐng)域中的重要產(chǎn)品，幫助我們養(yǎng)成了飯前便后洗手的習慣，有效預防了疾病的發(fā)生，保護了我們的身體健康.但是在人流高峰期，公共洗手臺受限于水龍頭的數(shù)量及工作環(huán)境空間狹小，其利用效率不高.目前市場上傳統(tǒng)的洗手臺大部分放置在洗手間等室內(nèi)環(huán)境，少部分安置在室外的洗手臺大多都只是用作觀賞而無實際作用，二者都無法滿足室外多數(shù)人的迫切衛(wèi)生處理需求，造成公共資源的浪費.

本文的室外移動洗手臺正是針對上述問題而設(shè)計的.通過給洗手臺添加移動裝置來實現(xiàn)在室外環(huán)境中的移動，能夠適應多變的環(huán)境，使其作用得到最大的發(fā)揮.其中污水處理機制使其更符合當代綠色發(fā)展的趨勢，具有環(huán)保性，給人們的生活帶來了極大的便利.

1 室外移動洗手臺方案設(shè)計

1.1 功能及性能要求

室外移動洗手臺的研究主要針對人流量較大的區(qū)域，包括公園、廣場、景區(qū)、夜市等深受人們歡迎的場所.室外移動洗手臺主要實現(xiàn)3個功能：衛(wèi)生處理、污水回收、自主定位導航.本文中的室外移動洗手臺打破了傳統(tǒng)洗手臺固定的觀念，進行了結(jié)構(gòu)和功能上的創(chuàng)新，使其擁有初步智能化的特點，更符合智能時代產(chǎn)品特征.

由于室外環(huán)境的復雜性，人群的衛(wèi)生處理需求不能較好地滿足，因此加入了移動裝置使其適應室外復雜環(huán)境，并且通過圖像數(shù)據(jù)采集及相關(guān)算法實現(xiàn)自主行走的道路導航規(guī)劃功能.當室外移動洗手臺完成準備工作后，會進行道路規(guī)劃并選擇最佳路線移動至工作地點，供人們進行衛(wèi)生處理，在完成一天工作后或水源、電源不足時，會回到設(shè)定的集合地點進行補充，從而實現(xiàn)智能化作業(yè).使用后的污水會進行適當?shù)奶幚硎蛊溥_到一定的標準，從而再次利用，實現(xiàn)了資源的最大利用率和污水處理的環(huán)保性.

為了更加便利地服務居民，必須保證洗手臺能夠較長時間地正常工作，擁有足夠的儲水量滿足大部分人群的衛(wèi)生需求.我們的室外移動洗手臺配備有儲水箱，擁有獨立水源供水，能夠保證在室外環(huán)境中日常白天的正常工作.在完成工作后會發(fā)出信號并自主導航或在工作人員控制下回到設(shè)定的位置，進行休整、充電和補充水源等.

1.2 整體方案設(shè)計

設(shè)備整體由5個單元組成：供水單元、污水處理單元、移動單元、控制單元、洗手單元及外殼.整體方案設(shè)計如圖1所示.

圖1 整體方案圖

裝置整體三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，在使用時供水單元利用水泵將水輸送至水龍頭，在清洗單元可提供多種清洗模式(包括洗手液+水、水+消毒液、洗手液+水+消毒液等)，完成清洗后污水進行處理再次利用.

圖2 整體三維結(jié)構(gòu)圖

考慮到人們處理衛(wèi)生問題和要求的清潔程度不同，我們提供了多種洗手模式供選擇：當手上有少許灰塵需要處理時，可以直接選擇用水進行清理；當手上沾上油污，用水無法清理時可選擇洗手液搭配使用；擔心僅通過水和洗手液無法有效地清理細菌時，可選擇使用消毒液進一步清理[2]等等.室外移動洗手臺核心部分在于污水處理及道路導航，因此污水處理單元和控制單元的設(shè)計與研究為本文的重點.

2 水的處理回收機制

2.1 儲水及污水處理箱

本裝置的工作環(huán)境要求其擁有獨立的供水源，因其需要長時間處于室外環(huán)境中，考慮到污水處理和水源供給問題，設(shè)計了污水箱和水的再利用機制，即將污水進行一系列處理后，將其回收再利用.

(1)儲水箱

儲水箱設(shè)計為450 mm×250 mm×380 mm的方形水箱，最大容積可達到42 L.

圖3 儲水及污水處理部分

(2)污水處理箱

污水箱選用330 mm×180 mm×280 mm的水箱，容積可達16.5 L，水箱內(nèi)部分為兩層，中間加上了過濾層和凈水劑等物理和化學方法相結(jié)合的污水處理機制，可實現(xiàn)對水的簡易處理，基本可以滿足外部衛(wèi)生的處理要求標準.

(3)水的回收利用

儲水箱和污水箱中間安裝有鋁合金連接管，實現(xiàn)了對處理后水的再利用.水的利用流程圖如圖4所示.

圖4 水的循環(huán)利用流程圖

2.2 水的處理回收利用

污水處理包括污水過濾和污水回收[3]兩個部分，整個污水處理過程要經(jīng)過三重過濾，包括過濾部分的初濾層和活性炭濾層，回收部分的回收濾層，如圖5所示.

圖5 過濾機制示意圖

初濾層主要由粗砂、碎石、煤渣、海綿、腈綸棉和離子交換樹脂等材料組成，能夠去除污水中的沙石大顆粒雜質(zhì)，并通過離子交換樹脂去除水中的部分有害離子，降低水的硬度.活性炭濾層主要組成成分為活性炭，配合砂石和棉網(wǎng)使用，實現(xiàn)對污水的異味去除，脫色以及氯離子有機物的過濾吸附.為避免污水處理不完全，在污水箱和儲水箱流通管處增加了回收濾層.回收濾層為微孔過濾膜，實現(xiàn)對污水的再次過濾、層層過濾，保證了回收后的水達到使用標準.

3 道路自主行走的實現(xiàn)

3.1 驅(qū)動行走裝置

裝置的移動行走單元采用模塊化設(shè)計，選擇了較為成熟的履帶式車，簡單進行修改后就可使用，便于操作和后期維護，可實現(xiàn)的智能性高.外形結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 履帶底盤

車體內(nèi)自帶大容量供電電源，將裝置工作部分供電電源與行走部分供電電源分離，增加了續(xù)航時間，避免出現(xiàn)由于電源不足而無法正常工作的情況.

3.2 室外自主導航技術(shù)

為便于裝置在復雜室外環(huán)境的工作和管理，加入了自主定位導航控制部分.自主導航和定位功能單元基于ROS操作系統(tǒng)[4]，采用三維激光雷達、GPS、攝像頭等智能感知融合技術(shù)來高效提取環(huán)境信息，并采用了基于特征提取的三維激光SLAM算法來高效提取環(huán)境信息，并融合了Scan Context算法進行回環(huán)檢測，得到了與室外實驗場景一致的點云地圖，最終實現(xiàn)裝置在室外環(huán)境下的自主導航.

(1)GPS/IMU組合定位

GPS是最常用的室外定位方式，但是單一的GPS定位精度和可靠性均無法滿足裝置的需求，GPS在受遮擋或者被信號干擾時，會丟失定位信息，可能導致洗手臺翻倒破損.IMU(慣性測量單元)[5]通過自身陀螺儀和加速度計獲取本體的加速度和角速度，從而推算出自身位置.無人化導航過程中常采用GPS/IMU組合導航定位[6]，利用兩種傳感器互補的特性，將GPS信息和IMU傳感信息融合使用，獲得更優(yōu)的定位效果.

根據(jù)使用要求的不同，常見的GPS/IMU組合導航分為松組合、緊組合和超緊組合3種模式.實際工程中常使用松、緊兩種組合模式.松組合模式下，采用GPS輸出的位置和速度和IMU融合，如圖7所示松組合模式下，GPS和IMU都是獨立工作，GPS輸出信息與IMU輸出數(shù)據(jù)融合，抑制IMU的累積誤差，該模式計算量小、容易實現(xiàn)，實時性較高.但該組合缺點是GPS輸出的位置和速度信息伴有噪聲，該模式的定位精度欠缺.緊組合實現(xiàn)了GPS偽距、偽距率的融合，如圖8所示.

圖7 GPS/IMU松組合原理圖

圖8 GPS/IMU緊組合原理圖

(2)室外SLAM技術(shù)

在GPS的定位基礎(chǔ)上，提高機器人的定位精度，需要感知周圍地圖環(huán)境地標來糾正位姿，構(gòu)建環(huán)境地圖則需要準確的位姿.為解決該問題，需要同時定位與建圖(SLAM)[7]的思想，即將裝置定位與地圖創(chuàng)建相結(jié)合，得到更準確的定位和地圖.

采用圖優(yōu)化的方式完成裝置的定位與建圖.將GPS/IMU數(shù)據(jù)融合到SLAM過程中，實現(xiàn)更準確的定位與地圖構(gòu)建.

圖9 SLAM算法流程

通過坐標變換，將激光三維光點云坐標由每時刻的激光坐標系，轉(zhuǎn)換到全局的地圖坐標系，即完成了三維地圖的構(gòu)建.

圖10 三維拼接地圖

4 裝置可行性分析

4.1 使用次數(shù)計算

為更加便利地服務居民，需要洗手臺能夠較長時間地正常工作，其儲水量滿足大部分人群的衛(wèi)生需求.因此，需要通過計算得到洗手臺最大使用次數(shù)，以便了解裝置是否滿足需求，可以進行范圍推廣.為減少水的浪費，水龍頭加上了超聲霧化節(jié)水器，在滿足洗手的同時節(jié)省水.加上節(jié)水器的水龍頭流量為每10 s出水150～180 ml，節(jié)水率能達到98%.

相關(guān)調(diào)查研究表明，人們在戶外環(huán)境中進行手部衛(wèi)生處理時間通常在10 s左右，由此通過流量計算可知，每人每次大約使用160 ml的水.而裝備的儲水箱最大容水量為42 L，結(jié)合水龍頭和水泵的流量計算，洗手臺至少能夠供給使用260余次，足以滿足工作時間的使用.

4.2 電機功率計算

為實現(xiàn)裝置正常工作時的供水供電，水泵性能參數(shù)以及配備的電源選擇是關(guān)鍵問題，需要進一步研究考慮.

采用直流12 V供電的微型直流水泵進行水的輸送.通過在進口處能夠持續(xù)形成真空或負壓，排水口處形成較大輸出壓力來實現(xiàn)由低向高處供水.需要得到水泵消耗的功率，以便確定選用的驅(qū)動電機及供給電源.

水泵電機功率計算公式：

N=K·P，

(1)

P=Pe/η，

(2)

Pe=ρgQH，

(3)

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)，解得：

N=KρgQH/η(W)=KρgQH/1000η(kW) ，

(4)

式中各個符號的含義如下：

P：泵的軸功率(輸入功率)；Pe：泵的有效功率(輸出功率)；ρ：泵輸送介質(zhì)的密度(kg/m3)，一般水的密度為1 000 kg/m3；Q：泵的流量(m3/s)；H：泵的揚程(m)；g：重力加速度(m/s2)；K：電動機的安全系數(shù)，一般取1.1～1.3；η：泵的效率.

裝置選用的水泵為微型水泵，最大流量為1 L/min，最大揚程為3 m.利用公式(4)進行計算：

N=KρgQH/1000η=(1.25×1000×9.8×0.06×1)/(1000×70%)=1.05 kW .

K取1.25；輸送的介質(zhì)是水，ρ為1 000 kg/m3；重力加速度g為9.8 m/s2；流量Q=1 L/min=0.06 m3/s；使用到的最大揚程不超過1 m，H取1 m；泵的效率η取70%.

所以得到泵的電機功率為1.05 kW，能夠提供裝置的正常供水工作所需的動力.

4.3 電源(蓄電池)選型

由上述的計算分析，選用了型號為DC30A-1230的水泵，工作時最大負載電流為0.35A.

蓄電池容量計算：

Q≥KIT/η[1+α(t-25)] ，

(5)

式中：Q：蓄電池容量(AH)；K：安全系數(shù)，取1.25；I：負荷電流(A)；T：放電小時數(shù)(h)；η：放電容量系數(shù)(放電10 h時，η為1)；T：實際電池所在地最低環(huán)境溫度值(按0 ℃考慮)；

a：電池溫度系數(shù)(1/℃),當放電小時率≥10時，取a=0.006；

將上述數(shù)據(jù)代入式(5)得到：

Q≥1.25×0.35×10/1[1+0.006(0-25)]=5.147AH

所以選擇12 V，7AH的鉛酸蓄電池，滿足供電需求.

5 結(jié) 論

室外移動洗手臺的設(shè)計研發(fā)旨在解決室外人群衛(wèi)生處理難的問題，核心部分在于將使用后的污水通過有效處理回收利用，并且能夠在完成工作或有需要時自主定位導航返回存放點進行電源和水的補充.本文通過solid works軟件進行了整體裝置三維數(shù)字模型的構(gòu)建，驗證了裝置的可行性.室外移動洗手臺具有創(chuàng)新性和先進性，擁有廣闊的市場前景.