跟踪吸尘器设计

潘胤卓

摘 要：目前环卫工人清洁小区卫生，主要采用手推垃圾车，配合相应的清扫工具作业。操作者需边推车边打扫，作业效率低，劳动强度大。如实现垃圾车跟随作业者工作，并具有吸垃圾的功能，可提高环卫工人工作效率。为了提高环卫工人的工作效率，本人设计了具有跟踪功能的吸尘器，可实现清洁车边吸垃圾边跟随操作者的功能。本文分别从机械结构设计、控制系统设计和动力系统设计三方面阐述该设备的设计原理和方法。

关键词：吸尘器 UWB定位 跟踪

一、引言

目前主流的跟随技术有两种，分别是视觉跟随技术和UWB跟随技术。视觉跟踪技术采用CCD摄像头传感器，主要依靠图像特征进行定位，具有价格高、处理复杂、成本高等特点，在光线不足和视线受阻的情况下无法工作，不适应夜晚和人流密集的环境。UWB跟踪技术采用无线脉冲波定位，具有定位准确度高，成本低，不受光线和视线遮挡的影响等特点。由于环卫工人作业环境人流密集，时而夜晚作业，跟踪吸尘器采用UWB定位技术，可降低环境的影响，实现实时跟随的作业效果。

二、机械结构设计

（一）跟踪吸尘器整体结构

跟踪吸尘器整体结构如图1所示，由吸尘装置、行走装置和架体组成。

图1 跟踪吸尘器结构图

（二）吸尘装置设计

吸尘装置由壳体、风机、滤芯、随意停支杆、吸尘管和满仓传感器组成，如图2所示。风机在壳体内产生负压，垃圾杂物由吸尘管进入壳体。满仓传感器通过检测垃圾的高度判断垃圾桶是否满仓。随意停支杆可支撑壳体抬起，便于操作者更换垃圾箱。吸尘管由PU软管、PLA硬管、手持控制器、万向轮组成，如图3所示，具有操作简单灵活的特点。

图2 吸尘装置结构图

图3 吸尘管结构图

（三）行走装置结构

行走装置由两个驱动轮和两个万向轮组成，驱动轮由电机、联轴器、支撑架、电磁离合器和轮胎组成。电磁离合器可连接或断开电机的动力输入，切换跟随模式和手动模式。工作时，当遇到复杂路况时，切换到手动模式，清洁车由操作者推动，应对不同的工作环境。

三、控制系统设计

（一）UWB跟随技术原理

该设备采用的UWB跟随系统，一共三个UWB模块，被跟随者手持一个模块（标签0），另外两个模块需要安装在跟踪式吸尘器的两侧（基站1和基站2）。此UWB模块供电使用的是5v电源，当移动模块开关打开后，就会发射出无线信号，安装在跟踪式吸尘器上的两个UWB基站接收到信号后，通过测量跟踪式吸尘器上两个模块（基站1和基站2）与手持模块（标签0）之间的距离，根据余弦定理，可以得出标签0相对于基站1、基站2的相对角度，并得到清洁车中点到手持模块的距离，从而实现跟随功能。系统最大跟随距离为50m，并具有较强的抗干扰能力。在清洁车基站的安装过程中，两个UWB基站尽量远一点，这样测距产生的误差对于角度的误差会相对较小。

图4 UWB跟随技术原理图①  图5 UWB跟随技术原理图②

如图4所示，X为基站1到基站2的距离，Y、Z分别为基站1、基站2到标签0的距离。程序会完成标签0与基站1和基站2之间距离测量，三角形的三个边确定后，则通过余弦定理即可算出G的角度。

对于跟踪式吸尘器来说，只需要知道一个距离和产生的角度即可，当跟踪式吸尘器与标签0之间的距离大于所设定距离时，就会启动跟踪，当跟踪式吸尘器与标签0之间的距离小于设定距离时，清洁车则停止不动。如图5所示，当位置关系满足A情况，清洁车需要右转，满足B情况则直行，而C情况则左转。

（二）控制系统设计

该设备控制器选用STM32F103C8T6单片机，是一款嵌入式32位的微控制器。它的工作温度在-40℃～85℃之间，工作电压2V～3.6V。其MCU具有高性能、实时性好、数字信号处理能力强、低功耗等特点，同时保持高集成度和开发简易的特点。并且具有易于集成，体积小等优势。

（三）DWM1000模块

定位模块采用的是DW1000无线收发芯片，支持同步数据传输和精准定位，它的最远传输距离可以达到450m。芯片所耗功率也是非常的低。最小误差可以控制在10cm之内，可实现定位和双向测距，其效果显著。该模块由模式变换器、收发器，SPI接口，电路以及状态控制器组成。通过控制寄存器来实现切换不同的工作状态。抗干扰能力强，且适合复杂环境的定位应用。所采用的是主控制芯片接口与SPI总线。最高速率可达到20MHZ。

系统以STM32F103C8为主设备，DWM1000模块为从设备。SI、CS、SCLK、SO引脚为DWM1000模块核心控制引脚。

四、动力系统设计

该设备的动力系统由行走动力和吸尘动力两部分组成。相比较于铅酸蓄电池，锂电池具有能量密度高、质量轻、环保、充电次数多的优点。考虑到该设备在特殊路况需要操作者推动的特点，需要选用质量轻高能量密度的电池。该设备选用24V的磷酸铁锂电池，容量为102AH，最大放電电流为140A，在额定电流下可工作2小时。

两台行走电机分别装于两个驱动轮，由电机驱动器控制电机的启动、停止、反转和调速，从而控制设备的前进、后退和转向。

吸尘风机的工作电压为AC220V，功率1.1KW。由于电机启动电流是额定电流3倍以上，选用24V，5000W的逆变器，将直流24V转化为交流220V，为吸尘风机提供动力。

五、小结

本文设计了一种具有跟踪功能的吸尘器，采用了基于UWB技术的定位跟踪系统，该系统运用TDOA算法，具有精度高、成本低、工程易实现的特点。该设备可提高环卫工人的作业效率，保障群众生活环境清洁卫生。

参考文献

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