自行走智能多功能垃圾回收器的设计

张国龙 于群 关鑫 宋晓明 李伦彬

摘 要：目前我校正快速发展，学生人数每年快速增长，学校建筑数量不断增加，校园的面积不断地扩大。各教学楼的办公垃圾、宿舍楼的生活垃圾数量也快速增长，原来由保洁人员在校园的每个楼宇间回收垃圾，垃圾回收频率较慢、回收工作量较大。因此，设计自行走智能多功能垃圾回收器对于解决校园垃圾回收问题是十分必要的。

关键词：自行走;垃圾回收器;校园垃圾

引言

自行走智能多功能垃圾回收器可以代替人工回收垃圾，垃圾回收频率快、避免垃圾异味污染校园环境，能够减少垃圾回收人工成本节约资金，同时提供垃圾分类存储功能和垃圾储存容器内的灭火功能。为创建一个良好、整洁、文明的校园环境做出贡献。

一、自行走智能多功能垃圾回收器简介

目前，我校的在校学生人数为12000多人，教职工1000多人，学校共有11栋教学楼，12栋宿舍楼，11栋办公、场馆、食堂等楼宇。校园的占地面积61.53万平方米，校舍建筑面积25.17万平方米。按北方地区生活垃圾产量按照人均日产量1.2kg计算，每天校园各楼宇共计产生约9.6吨垃圾。垃圾数量较多造成垃圾回收和运输的工作量较大，需要大量的人力和物力。目前我校垃圾回收工作由保洁公司人员每天清晨进行回收处理一次。垃圾存放在楼宇的时间长，带来的问题较多。宿舍和食堂的生活垃圾长时间不回收，容易产生异味、滋生细菌、污染校园空气，也可能产生二次污染。办公的教学楼宇垃圾箱内，经常存放废弃纸类、塑料类等易燃物品，很可能由于人为意外导致垃圾箱引燃发生火灾事故，造成财产损失和空气污染。

二、自行走智能多功能垃圾回收器的作用

为解决以上问题，设计一种具有自动巡航的自行走智能多功能垃圾回收器是十分必要的。（1）自动巡航功能。回收器设计1小时定时回收垃圾，减少垃圾存放时间。自行走智能多功能垃圾回收器设计基于自动巡航定时移动，不需要人工干预，能够在楼宇的垃圾回收点之间按线性顺序移动。假设在10个楼宇间活动，需要11台自行走回收器，1台位于垃圾回收站。回收器每间隔1小时（45分钟等待和15分钟移动）完成向前移动一个站点。最后一个楼宇站点的回收器移动进入垃圾回收站，进行垃圾容器卸载与清理工作，同时进行回收器自行走装置的检修维护工作。垃圾回收的时间间隔减少为1小时，垃圾不容发生变质产生异味，1小时内垃圾的产生的总量也相应减少，有利于运输和分类工作。回收器在回收站的垃圾回收清理工作只需要少量清洁人员，同时自行走机器只需要电力驱动减少了对环境污染，有利于实现绿色校园的目标。（2）垃圾分类功能。自行走多功能垃圾回收器装配有垃圾分类容器，目前设计只有可回收和不可回收两种容器。垃圾投放时按容器颜色（红、蓝）进行区分，在自行走回收器上设置LED显示屏幕，播放关于垃圾分类的要求和注意问题，提示用户在投放垃圾时分类处理。自行走回收器的投放口处，印有垃圾分类及投放等图案及说明。这些措施虽然不能完全保证用户的垃圾分类的准确性，但是通过提示还是能够对用户进行垃圾分类投放起到一定的引导作用。（3）垃圾灭火功能。垃圾容器有许多易燃废弃物，有时会因为烟头未熄灭等起火源投入垃圾箱而引发火灾，造成财产的损失和空气的污染。设计多功能垃圾回收器带有温度传感器和烟雾传感器，当垃圾容器内的温度或烟雾浓度超过设置的阈值时，则启动喷水头装置进行一次喷水灭火并响警报音。热电阻式温度传感器实时自动检测，离子式烟雾传感根据烟雾浓度范围判断是否停止喷水和响警报音。能够对垃圾容器内的火灾启动实时监测，避免垃圾容器火灾的引发。

三、自行走智能多功能垃圾回收器的方案设计

自行走智能多功能垃圾回收器包括有自行走装置、垃圾回收容器装置、火灾监测装置设计、太阳能电池装置设计和LED屏幕装置等主要部件。自行走智能多功能垃圾回收器总体设计图如下所示：

（1）车体框架设计

自行走智能多功能垃圾回收器上部为垃圾回收容器和LED显示屏部分，下部为自行走装置部分，后部及顶部为蓄电池和光伏太阳能板部分。回收器具有自主固定路线巡航能力，行走时需要车身保持稳定。垃圾容器的重心位于底盘偏前部分，跟尾部电池调整好适当位置，无论容器是否空载都能保持车身稳定性。

（2）自行走装置设计

自行走装置包含STM32F103ZET6芯片的FS-MP1A开发板、红外探测模块（IRM）、超声波探测模块、底盘电机驱动模块等部分。主控模块：采用搭载性能高、低功耗的STM32MP157芯片的FS-MP1A开发板，芯片集成度高搭配多种传感器模块，包含有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、超声波传感器、加速计、电子罗盘模块等，方便各种编程语言进行编程控制。底盘电机驱动模块：前轮采用两个直流减速电机来实现小车的转向控制，采用直流电机驱动后轮实现前后移动，速度控制通过FS-MP1A发出的PWM调制信号实现电机的转速控制。红外线探测模块：选用TCRT5000红外传感器，红外探测器发出LED红外光线，传感器负责接收反射红外线光的变化从而判定行走路线。超声波探测模块：测距模块设计采用HC-SR04超声波传感器，可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。超声波探测模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。自行走装置测距以及转向，可以及时发现前方的障碍物，使自行走装置可以及时转向，避开障碍物。

（3）垃圾回收容器设计

垃圾回收容器设计分为两箱，红箱存储不可回收垃圾，蓝箱存储可回收垃圾。回收箱为锥形设计，可以保持自行走回收器车体的稳定性。箱体采用钢板材质，防火耐高温防腐蚀。箱体下方设计有滑道及阻尼装置，能够方便装卸和倾倒垃圾工作。

（4）灭火装置设计

灭火装置设计为梯形箱体，上端配有6个喷头，下方有环形注水孔。箱體内部中空，存储灭火所需用水。基于STM32的烟雾温度报警器，设计采用DS18B20温度传感器和MQ-2烟雾传感器，主从机模式可设置，从机监测，主机报警。继电器接FS-MP1A的PA11端口，当烟雾传感器的返回值比设置的阈值大时，使单片机给引脚为低电平，从而实现蜂鸣器报警，继电器打开，使得抽水机的12V的线和12V的供电导通，实现喷水灭火，当传感器当前值下降到比阈值低时，给单片机高电平，从而停止报警和喷水工作。

（5）光伏太阳能板与蓄电池装置设计

自行走智能多功能垃圾回收器的电力供应，采用光伏太阳能板转蓄电池设计。光伏太阳能板的工作原理是白天太阳光照射光伏太阳能电池板，进行光伏效应将光能转化为电能，通过充放电控制器将电流储藏在太阳能蓄电池中。蓄电池提供自行走设备工作所需电力，放电时间达到控制器设定值后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

四、自行走装置自动引导设计

自行走智能多功能垃圾回收器的重要装置是自动导引车（Automated Guided Vehicle，简称AGV），自动导引车是指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿预定的路径自动行驶，具有安全避障的移动载具。引导方式是AGV的重点研究内容，引导方式主要包括电磁引导、磁带引导、光学引导、激光引导、视觉引导、轮廓引导等。磁带引导需要在路面铺设磁带，容易受污染或干扰、可靠性差。光学引导方式，地面上需铺反光涂料，容易磨损精度不高、可靠性差。激光引导凡是，需要在车体上安装激光发射装置和激光接收装置，在引导路径周围布置反射装置。激光引导精度较高但成本也较高，不太适合校园使用。

考虑到本项目主要应用在户外校园道路场景中，引导路线上受人员干扰较多，地面的温度、湿度、光线变化较大，地面还可能受到积水积雪因素影响，运行环境较为复杂。因此，垃圾回收器的自行走装置引导方式以电磁引导、视觉引导等技术较为适合。

1.電磁引导（Electronic-Magnetic Guided）

电磁引导方式在运行路径下埋设金属导线，导线上附加上固定的交流电信号，导线会产生磁场。通过AGV车体上的电磁感应器进行识别，将磁场信号传递给AGV控制器，控制系统通过电磁感应线圈检测金属导线上产生电磁信号的强弱，来判断车体当前位姿，并执行相应的动作，实现自动导引。该引导方式工作较稳定，铺设成本较低，只有在需要对导航路线进行修改时，需要较大的工作量和成本。对于地面引导线保护较好，传感器埋入底线不会因污染而失效，能够满足固定路线的引导作业。自行走智能多功能垃圾回收器在校园的固定路线自动巡航，电磁引导技术成熟，工作较为稳定，信号干扰较少，非常适合实施。

2.视觉引导

视觉引导是通过CCD高清摄像头捕捉采集行驶中的道路图像，通过光电转换为电信号传送至AGV图像处理器中，根据识别算法识别图像中的路径引导线。同时调用控制模块根据计算得出的中心线参数，自动判断车体轴心坐标与引导线中心坐标的偏差值，控制小车姿态调整。视觉引导的图像识别精度较高，设备成本较低，路径的变更为灵活。其主要不足是图像识别算法的复杂度和效率直接影响了引导的效率，在引导路径中如果有较大的图像干扰或者光线较弱环境时，其图像识别增加较多噪音，其引导的精度和效率会变低，所以目前在工业中很少有大规模的应用。视觉引导技术目前还不够成熟，目前仍然在不断地发展和完善中，不是适合在本项目中应用。

结语

本文所设计的自行走智能多功能垃圾回收器，是对目前校园内垃圾回收问题的一种设计方案。自行走装置能够在各楼宇垃圾点间线性移动，每到一定间隔时间就会到达垃圾回收站，进行垃圾卸载和清理工作。基本能够解决垃圾长时间存放带来的问题。设计的灭火装置能够监测垃圾容器内的烟雾和温度，解决垃圾容易被引燃造成的火灾。设计的光伏太阳能蓄电器装置，能够有效利用太阳能给自行走智能多功能垃圾回收器供电。自行走智能多功能垃圾回收器重要的部件是AGV装置，分析并比较了不同AGV引导技术的特点，根据项目的性质设计采用电磁引导技术最为适合。设计的很多的功能方案都需要进行实验验证，通过验证不断改进设计方案，尽早让自行走智能多功能垃圾回收器的设计变为现实，真正发挥作用。

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作者简介：

张国龙（1998-），男，黑河学院学生，2018级计算机科学与技术专业。

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目《自行走智能多功能垃圾回收器》成果。项目编号：201913744002