一種智能落葉收集回收車(chē)

石碩碩 毛偉 汪鑫 孫保彬 朱廣宇 王兵記 夏俊偉 張帥 寧志成 楊子涵

（安徽新華學(xué)院 安徽合肥 230000）

由于城市公共生活服務(wù)區(qū)域及居民工作生活區(qū)域相對(duì)較為集中，尤其在正是上下班堵車(chē)高峰期的時(shí)段，道路上的車(chē)流量及人流量非常大。在這種情況下，如果落葉不能及時(shí)進(jìn)行清掃，它就不再是城市的自然景觀了，反而可能會(huì)影響整個(gè)城區(qū)公共市政、城區(qū)市容及周?chē)h(huán)境，造成空氣污染。城市綠化脫落的鮮花、樹(shù)葉若長(zhǎng)期得不到清理，會(huì)逐漸風(fēng)干，經(jīng)過(guò)碾壓很容易變得細(xì)碎。此外，落葉也容易堵塞下水道口，本文所述落葉回收機(jī)不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)落葉進(jìn)行收集，而且還可以對(duì)落葉直接進(jìn)行利用。本處理機(jī)器可以廣泛應(yīng)用于大學(xué)校園、公園、城市及街道等范圍，不僅操作簡(jiǎn)單、使用便利，且該處理裝置操作成本相對(duì)較低、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)，可有效減少山林落葉垃圾處理過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染，迎合了目前我國(guó)所普遍倡導(dǎo)的綠色節(jié)能低碳減排的環(huán)保主題。目前，市面上收集落葉的裝置還處于半自動(dòng)化的狀態(tài)，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的收集，應(yīng)用場(chǎng)合有限，現(xiàn)有的裝置還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和創(chuàng)新。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)的研究思路是基于了解市場(chǎng)上的落葉收集器的多樣性并充分考慮了現(xiàn)有裝置存在的不足，在降低用戶(hù)的使用成本的同時(shí)，達(dá)到對(duì)落葉高效、高質(zhì)收集處理的目的，使其更便捷、耗能更少。

1.2 整體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程

如圖1 所示，該機(jī)器主要由3 個(gè)部分組成，即落葉收集器、落葉除雜器、落葉處理器。落葉收集器先將落葉收集起來(lái)，然后經(jīng)過(guò)落葉雜質(zhì)分離機(jī)構(gòu)對(duì)落葉進(jìn)行除雜處理，之后通過(guò)傳送帶送至落葉粉碎機(jī)構(gòu)，最后進(jìn)入落葉儲(chǔ)存桶。當(dāng)機(jī)器的電量到達(dá)設(shè)定值時(shí)，機(jī)器停止收集，并且停止行走，太陽(yáng)能板及蓄電裝置對(duì)電池進(jìn)行充電。

圖1 機(jī)器組成部分

1.2.1 機(jī)械部分

關(guān)于機(jī)械部分，采用了一些機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要包括落葉收集機(jī)構(gòu)、落葉雜質(zhì)分離機(jī)構(gòu)、落葉傳送機(jī)構(gòu)、蒸汽發(fā)電內(nèi)部冷卻機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新［1］。

1.2.2 落葉收集機(jī)構(gòu)

該設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于，收集車(chē)落葉掃帚回收系統(tǒng)通過(guò)利用收集車(chē)前方的4個(gè)同軸轉(zhuǎn)向完全相反的、由直流邊輪減速器發(fā)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的同軸旋轉(zhuǎn)邊輪掃帚，使兩個(gè)同軸外側(cè)的邊輪掃刷機(jī)和旋轉(zhuǎn)掃帚方向相同且都向內(nèi)側(cè)邊輪旋轉(zhuǎn)，并且在兩個(gè)同側(cè)邊輪掃刷之間設(shè)有一塊利用彈簧進(jìn)行連接的落葉擋板，以便于回收落葉的及時(shí)收集。落葉收集機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新之處還在于，可以展開(kāi)盤(pán)刷及抬升盤(pán)刷，優(yōu)點(diǎn)是利用一根推桿就可以完成盤(pán)刷的收合動(dòng)作，結(jié)構(gòu)巧妙，另外，展開(kāi)幅度是可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的。抬升機(jī)構(gòu)也比較新穎，利用平行四連桿機(jī)構(gòu)，使整個(gè)抬升過(guò)程更加穩(wěn)定［2］。

1.2.3 落葉雜質(zhì)分離機(jī)構(gòu)

該落葉振動(dòng)篩選機(jī)構(gòu)是通過(guò)利用振動(dòng)篩振子的激振往復(fù)振動(dòng)而工作的。振子的上旋轉(zhuǎn)重錘使篩面產(chǎn)生平面回旋振動(dòng)，而下旋轉(zhuǎn)重錘則使篩面產(chǎn)生錐面回轉(zhuǎn)振動(dòng)，其聯(lián)合作用的效果則使篩面產(chǎn)生復(fù)旋型振動(dòng)。其中，在振動(dòng)電機(jī)上與落葉振動(dòng)軸相對(duì)應(yīng)的篩面上，落葉具有一定的落葉傾角，從而實(shí)現(xiàn)落葉從后向前運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)落葉除雜的主要目的，以及對(duì)整個(gè)電機(jī)落葉向后高速進(jìn)行篩選物料除雜短距離高速篩選運(yùn)輸［3-4］。

1.2.4 太陽(yáng)板發(fā)電裝置

太陽(yáng)能電池發(fā)電裝置由兩部分組成，一部分是太陽(yáng)能電池，另一部分是太陽(yáng)能控制器。其中，太陽(yáng)能電池是可以直接利用太陽(yáng)光進(jìn)行發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片，只要在一定的光照條件下，它瞬間就可以輸出電壓并在回路中產(chǎn)生電流。太陽(yáng)能控制器的作用是對(duì)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓、電流進(jìn)行調(diào)控，主要是控制輸出電壓和功率。

1.2.5 實(shí)現(xiàn)原理

本機(jī)器是通過(guò)利用智能手機(jī)與單片機(jī)Arduino 進(jìn)行無(wú)線連接，通過(guò)智能手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的運(yùn)行情況。Arduino與小車(chē)電機(jī)高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，通過(guò)自動(dòng)控制電機(jī)PWM 來(lái)自動(dòng)調(diào)控小車(chē)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)控制一輛小車(chē)高速行進(jìn)的運(yùn)動(dòng)速度，Arduino還與Wi-Fi繼電器相連，繼電器連上手機(jī)的局域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)落葉收集裝置和落葉處理裝置的無(wú)線控制。

1.2.6 特性

MCU的主要任務(wù)是處理車(chē)輛的底層控制，并提供來(lái)自底層車(chē)載傳感器的讀數(shù)。MCU 通過(guò)串行連接接收車(chē)輛控制和指示信號(hào)，將控制轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制器的PWM 信號(hào)，并根據(jù)指示器信號(hào)切換LED。Arduino 程序還通過(guò)計(jì)算左右前輪上光學(xué)傳感器的中斷來(lái)跟蹤輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)。

1.3 功能

1.3.1 落葉回收

本裝置涉及環(huán)?；厥昭b置各種技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。該落葉收集回收車(chē)的落葉收集處理裝置大致可以分為扇葉、收集箱、粉碎機(jī)3個(gè)部分。收集箱的底部位置固定安裝有扇葉擋板塊，收集箱的側(cè)面底部固定安裝有扇葉吸收排氣管，收集箱的頂部通過(guò)兩個(gè)螺釘與封閉板的底部一端通過(guò)螺紋板相連接；封閉板的底部位置固定安裝有兩個(gè)防護(hù)框，封閉板底部位于兩個(gè)防護(hù)框側(cè)面的底部位置固定安裝有清潔機(jī)的電機(jī)；清潔機(jī)在電機(jī)的兩個(gè)輸出端底部固定安裝有兩片扇葉；收集箱內(nèi)腔的底部位置固定安裝有扇葉隔離板；隔離板的側(cè)面底部固定安裝有扇葉收集筐；收集筐的底部安裝有滑輪。本新型機(jī)器具有拆卸便捷、維修簡(jiǎn)單、可持續(xù)穩(wěn)定地工作、落葉處理效果好、環(huán)保程度高的優(yōu)點(diǎn)。

1.3.2 落葉利用

該裝置將路邊的落葉收集后進(jìn)入箱體，并通過(guò)粉碎機(jī)將其落葉粉碎，然后將落葉通過(guò)土和水將其腐殖化和礦質(zhì)化。礦質(zhì)化過(guò)程中產(chǎn)生單糖、多肽和氨基酸等簡(jiǎn)單有機(jī)物供微生物利用，最終產(chǎn)生二氧化碳、水、銨離子、磷酸氫根、硫酸根等無(wú)機(jī)成分；腐殖化過(guò)程形成腐殖質(zhì)，可改善土壤性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤肥力。對(duì)于礦質(zhì)化產(chǎn)生的簡(jiǎn)單有機(jī)物，樹(shù)體可少量吸收利用；對(duì)于無(wú)機(jī)成分，樹(shù)根可吸收利用。

1.3.3 太陽(yáng)能發(fā)電（可再生能源的循環(huán)利用）

該智能落葉回收車(chē)是一種靠太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)的裝置。利用貼在車(chē)體外表的太陽(yáng)電池板，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)消耗電能，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，對(duì)于車(chē)的行駛快慢，只要控制輸入電機(jī)的電流就可以解決。

1.3.4 無(wú)線智能遠(yuǎn)程控制

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)手機(jī)智能遠(yuǎn)程控制基于人工智能手機(jī)智慧APP 的智能監(jiān)控器，對(duì)設(shè)備進(jìn)行程序化自動(dòng)監(jiān)控和設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，通過(guò)手機(jī)無(wú)線連接，利用手機(jī)智能APP的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)、隨地獲得遠(yuǎn)程工作環(huán)境巡視監(jiān)控中的設(shè)備環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)當(dāng)?shù)囟慰茖W(xué)工作運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)分析，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的正確合理設(shè)置與自動(dòng)化的調(diào)整、修復(fù)故障等。

2 設(shè)計(jì)測(cè)試與分析

在該裝置的測(cè)試中，落葉回收利用機(jī)的功能都可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)落葉回收利用機(jī)進(jìn)入道路后，通過(guò)Wi-Fi模塊，可實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程操控小車(chē)行駛，攝像頭可實(shí)現(xiàn)清潔人員對(duì)于路況的實(shí)時(shí)觀察，由此進(jìn)行落葉的清理及落葉的粉碎回收。傳感器可使小車(chē)自動(dòng)檢測(cè)到落葉，當(dāng)檢測(cè)到落葉時(shí)，掃地的扇葉將其掃到風(fēng)口以達(dá)到吸入的效果。人為操控與自動(dòng)尋找落葉的相互結(jié)合可避免小車(chē)自動(dòng)忽略細(xì)小目標(biāo)而直奔的情況，確保將落葉盡可能全部收集。隨后，將落葉粉碎回收，減少囤積空間。在小車(chē)的運(yùn)行同時(shí)，太陽(yáng)能板實(shí)時(shí)地進(jìn)行電量?jī)?chǔ)存，循環(huán)給小車(chē)供電。由測(cè)試與分析可得，落葉回收利用機(jī)的功能都可以實(shí)現(xiàn)。在各個(gè)路況中，該款落葉回收利用機(jī)可以保證復(fù)雜情況下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次檢查和落葉回收。

3 創(chuàng)新性說(shuō)明

落葉收集器采用了四邊刷設(shè)計(jì)，使落葉收集更加流暢；落葉分離器采用電動(dòng)篩網(wǎng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)落葉和一些雜質(zhì)的分離；落葉處理器采用燃燒蒸汽發(fā)電設(shè)計(jì)，使收集到的落葉轉(zhuǎn)換為電能。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該落葉收集回收車(chē)的設(shè)計(jì)由于造價(jià)低、耗能少的特點(diǎn)必將走上時(shí)代發(fā)展的前沿。本設(shè)計(jì)就是利用了物聯(lián)網(wǎng)的特性“萬(wàn)物相聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)”，這一設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了“物聯(lián)網(wǎng)+生態(tài)保護(hù)”，而且還可滿(mǎn)足節(jié)能減排的時(shí)代需求。