一种广场清洁小车设计与研究

郭 湃，江秋仪，程清伟，张振裕，陈明翁，汪浩冉，宋宇航

（华南理工大学广州学院，广东 广州510800）

1 研究背景及意义

随着现代城市的发展，为城市居民提供休闲娱乐的大型广场越来越多，而目前国内城市广场清洁作业多由人工完成，劳动强度大、作业效率低。目前按工作原理将路面清扫车分为纯扫式清扫车、吸扫式清扫车以及真空吸尘车三类。

纯扫式清扫车设备结构简单，清扫范围宽，功率消耗小，适应性好，主要用于人口稠密的街道、市区以及大颗粒块状垃圾较多的场合。但这类清扫车对微细尘粒的除净率较低，清扫效果不理想。

吸扫式清扫车有盘刷或柱刷以及吸嘴，其中盘刷或柱刷可以伸出到基础车体以外。由于自身旋转，盘刷可对边角、路缘、护栏下的垃圾扰动并将其横向抛射至吸嘴前方，形成一条垃圾带，当吸嘴经过垃圾带时，利用空气动力将垃圾尘粒捡拾和输送到垃圾箱中。

真空吸尘车作为逐渐兴起的一类清扫车，以其特有的性能优势，逐渐在市场上崭露头角。真空吸尘车由于不安装清扫机构并采用干式除尘方式，且吸嘴宽度即为清扫宽度，主要用于介质粉尘量大、密度高、抑止扬尘困难以及洒水除尘不方便的地区，清扫对象主要是煤粉、水泥、矿粉等粉尘状垃圾。

2 广场清洁小车的设计方案

2.1 广场清洁小车研究内容与方法

目前国内城市广场清洁作业多由人工完成，劳动强度大、作业效率低。因此，笔者们设计了一款适用于城市广场清洁的多级垃圾回收装置。城市广场清洁小车介于大型城市环卫车和室内小型吸尘清洁机。本装置体积较小，功能较齐全，性价比较高。本装置主要包括移动机构、感知模块、控制模块、垃圾收集机构。对清洁小车在城市广场运行过程中的避障方法进行了研究，设计了基于红外避障传感器与碰撞传感器的避障功能模块。

解决目前清扫车清扫广场地面时存在的问题：①纯扫式清扫车设备结构简单，清扫范围宽，功率消耗小，适应性好，主要用于人口稠密的街道、市区以及大颗粒块状垃圾较多的场合。但这类清扫车对于微细尘粒的除净率较低，清扫效果不理想。②在较小的空间内实现其移动功能、地面清洁功能与垃圾回收功能，保证清洁机结构的合理性与功能实现。③清洁机为减少自身缠绕电线，一般都用移动电源为系统供电。为了能多次使用，都采用可充电电池。使用自主充电技术可以保证清洁机高效、安全、长时间进行清扫工作。④利用众多的传感器，清洁机能检测并分析出自己所在位置、广场大小及脏乱程度、环境的配置等。

结合地面清洁现状，尝试设计一款清洁小车，具体特征和功能如下：①智能操作一体化，可利用手机或者电脑设备连接Wi-Fi 远程控制来清洗机器。②检测过程自动化，检测系统主要采用高清摄像头、距离传感器等检测并分析出自己所在位置、广场大小及脏乱程度、环境的配置等。③产品整体视觉美观化。产品符合实用性要求，在公共场合不妨碍路人，且能够增添科技感。

2.2 清洁结构

清洁小车的清洁机构主要由前端、中端、后端三个结构组成，其结构如图1 所示。前端清洁机构位于整个小车的最前端，由较长的斜传送带刷子和斜档板组成，通过设计刷子与档板的距离清扫体积比较大的垃圾，如饮料瓶、奶茶杯等，同时保证不清扫小垃圾。中端清洁机构位于前端清洁机构下方，通过设计刷子与档板的距离清扫回收前端清洁机构不能回收体积比较小的垃圾，采用比前端较短的斜传送带刷子和斜档板，节省空间，使整体结构紧凑，同时节省垃圾运到垃圾桶的时间，达到减少能量消耗的目的。垃圾桶位于前中端清洁机构之后后端清洁机构和吸尘器之前，而且分为两层，上层用于收集前端较大的垃圾，下层用于收集中后端机构清扫的较小垃圾。后端清洁机构由贴地的圆刷和吸尘器组成，用于回收前端和中端都不能回收的微小垃圾，比如瓜子壳、纸屑之类的垃圾。因此，清洁小车通过前端、中端和后端三部分的清洁机构最终都将清扫的垃圾全部移送到指定垃圾桶，对垃圾进行简单的大小分类。

图1 清洁小车整体结构示意图

2.3 避障模块

与光学传感器相比，超声传感技术的优点是可以识别透明类障碍物，其感知精度不受障碍物颜色干扰，同时可以在夜间工作，而使用红外线传感技术在以上情况下工作都会受到影响。利用超声传感避障可以避免直接碰撞，清洁机本身和家庭设施的防护方面明显优于使用红外线传感系统的清洁机。

2.4 创新点

结构设计方面，在较小的空间内实现其移动功能、地面清洁功能与垃圾收集功能，保证清洁机结构的合理性与功能实现。

清洁机的路径规划必须实现“遍历”这一功能，并使覆盖率尽可能大和重复率尽可能小。使路径规划过程的算法误差尽可能小，保证清洁机正常稳定工作。

清洁机配置多种传感器，用以获取自身工作状况信息和实现对清洁机自身动作的控制。同时集成避障传感器、防碰撞传感器与运动控制系统，并通过传感与控制技术实现清洁机的地面自动清洁功能。基于Wi-Fi 无线模块的控制，融合多种传感器检测技术，对小车进行实时监控，将信息反馈到技术员手机上，实行远程遥控。

2.5 工作原理

清洁小车进入工作状态后，清洁车通过摄像识别开始行走工作，根据程序设计的路线进行清洁，由STM32 控制清扫装置开始清扫，然后集中回收。清洁小车前进清洁过程中，当摄像头识别到类似饮料瓶、奶茶杯、矿泉水瓶等体积比较大的垃圾时启动前端清洁机构进行清扫，若没有，则只启动中后端清洁机构，减少电量的消耗，使其有更高的续航能力。当中端清洁机构启动时，清扫类似于纸团、垃圾袋等体积较小垃圾，然后收集在指定的垃圾桶中，后端清洁机构的圆刷将一些微小的垃圾如沙子、树叶、灰尘集中清扫到吸尘器下方，再通过吸尘器达到清洁目的。清洁完成后，将信号反馈到操纵人员的控制面板中提醒操纵人员，操纵人员根据摄像头查看清洁情况决定接下来的工作程序，结束工作、充电待命，或再进行一次清洁。

3 总结与展望

本文对当前国内外清洁机器人研究进行了深入研究，设计了一款以STM32 控制为主控制器，采用模块化设计，结构紧凑，可实现扫地吸尘和收集垃圾等多种功能的轻型清洁小车。该清洁小车使用范围广，可美化城市广场环境，提高市容，提升人民的生活水平，有效减轻了清洁人员的劳动强度，提高了工作效率。同时该装置机构比较简单，但清洁功能齐全，生产成本较低，性价比高。笔者后续将对该产品设计方案进行不断优化，如改善结构设计，使清洁机器人的结构更轻巧，使避障功能更加完善和智能化，从而实现现量化生产该产品，更好地造福全社会和全人类。