室外移动洗手台的设计与研究

王 鹏，栾海山，刘志辉，夏一建，于凤淼，王开宝

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132013)

随着我国社会经济的快速发展和城镇化进程的加快，城市人口数量增长速度越来越快，伴随而来的人们对公共设施的需求也在不断地提高.近年来，人们对环境卫生领域的重视程度不断提高，国家近年来发布了多条关于环境卫生的政策决定，旨在改善环境、提高卫生意识，而公共卫生服务是建设过程中尤为重要的部分.2020年新冠疫情的袭来，对我国对公共卫生建设服务提出了更高的要求，“勤洗手”这一习惯又被人们重视起来[1].

洗手台作为公共卫生服务领域中的重要产品，帮助我们养成了饭前便后洗手的习惯，有效预防了疾病的发生，保护了我们的身体健康.但是在人流高峰期，公共洗手台受限于水龙头的数量及工作环境空间狭小，其利用效率不高.目前市场上传统的洗手台大部分放置在洗手间等室内环境，少部分安置在室外的洗手台大多都只是用作观赏而无实际作用，二者都无法满足室外多数人的迫切卫生处理需求，造成公共资源的浪费.

本文的室外移动洗手台正是针对上述问题而设计的.通过给洗手台添加移动装置来实现在室外环境中的移动，能够适应多变的环境，使其作用得到最大的发挥.其中污水处理机制使其更符合当代绿色发展的趋势，具有环保性，给人们的生活带来了极大的便利.

1 室外移动洗手台方案设计

1.1 功能及性能要求

室外移动洗手台的研究主要针对人流量较大的区域，包括公园、广场、景区、夜市等深受人们欢迎的场所.室外移动洗手台主要实现3个功能：卫生处理、污水回收、自主定位导航.本文中的室外移动洗手台打破了传统洗手台固定的观念，进行了结构和功能上的创新，使其拥有初步智能化的特点，更符合智能时代产品特征.

由于室外环境的复杂性，人群的卫生处理需求不能较好地满足，因此加入了移动装置使其适应室外复杂环境，并且通过图像数据采集及相关算法实现自主行走的道路导航规划功能.当室外移动洗手台完成准备工作后，会进行道路规划并选择最佳路线移动至工作地点，供人们进行卫生处理，在完成一天工作后或水源、电源不足时，会回到设定的集合地点进行补充，从而实现智能化作业.使用后的污水会进行适当的处理使其达到一定的标准，从而再次利用，实现了资源的最大利用率和污水处理的环保性.

为了更加便利地服务居民，必须保证洗手台能够较长时间地正常工作，拥有足够的储水量满足大部分人群的卫生需求.我们的室外移动洗手台配备有储水箱，拥有独立水源供水，能够保证在室外环境中日常白天的正常工作.在完成工作后会发出信号并自主导航或在工作人员控制下回到设定的位置，进行休整、充电和补充水源等.

1.2 整体方案设计

设备整体由5个单元组成：供水单元、污水处理单元、移动单元、控制单元、洗手单元及外壳.整体方案设计如图1所示.

图1 整体方案图

装置整体三维结构图如图2所示，在使用时供水单元利用水泵将水输送至水龙头，在清洗单元可提供多种清洗模式(包括洗手液+水、水+消毒液、洗手液+水+消毒液等)，完成清洗后污水进行处理再次利用.

图2 整体三维结构图

考虑到人们处理卫生问题和要求的清洁程度不同，我们提供了多种洗手模式供选择：当手上有少许灰尘需要处理时，可以直接选择用水进行清理；当手上沾上油污，用水无法清理时可选择洗手液搭配使用；担心仅通过水和洗手液无法有效地清理细菌时，可选择使用消毒液进一步清理[2]等等.室外移动洗手台核心部分在于污水处理及道路导航，因此污水处理单元和控制单元的设计与研究为本文的重点.

2 水的处理回收机制

2.1 储水及污水处理箱

本装置的工作环境要求其拥有独立的供水源，因其需要长时间处于室外环境中，考虑到污水处理和水源供给问题，设计了污水箱和水的再利用机制，即将污水进行一系列处理后，将其回收再利用.

(1)储水箱

储水箱设计为450 mm×250 mm×380 mm的方形水箱，最大容积可达到42 L.

图3 储水及污水处理部分

(2)污水处理箱

污水箱选用330 mm×180 mm×280 mm的水箱，容积可达16.5 L，水箱内部分为两层，中间加上了过滤层和净水剂等物理和化学方法相结合的污水处理机制，可实现对水的简易处理，基本可以满足外部卫生的处理要求标准.

(3)水的回收利用

储水箱和污水箱中间安装有铝合金连接管，实现了对处理后水的再利用.水的利用流程图如图4所示.

图4 水的循环利用流程图

2.2 水的处理回收利用

污水处理包括污水过滤和污水回收[3]两个部分，整个污水处理过程要经过三重过滤，包括过滤部分的初滤层和活性炭滤层，回收部分的回收滤层，如图5所示.

图5 过滤机制示意图

初滤层主要由粗砂、碎石、煤渣、海绵、腈纶棉和离子交换树脂等材料组成，能够去除污水中的沙石大颗粒杂质，并通过离子交换树脂去除水中的部分有害离子，降低水的硬度.活性炭滤层主要组成成分为活性炭，配合砂石和棉网使用，实现对污水的异味去除，脱色以及氯离子有机物的过滤吸附.为避免污水处理不完全，在污水箱和储水箱流通管处增加了回收滤层.回收滤层为微孔过滤膜，实现对污水的再次过滤、层层过滤，保证了回收后的水达到使用标准.

3 道路自主行走的实现

3.1 驱动行走装置

装置的移动行走单元采用模块化设计，选择了较为成熟的履带式车，简单进行修改后就可使用，便于操作和后期维护，可实现的智能性高.外形结构如图6所示.

图6 履带底盘

车体内自带大容量供电电源，将装置工作部分供电电源与行走部分供电电源分离，增加了续航时间，避免出现由于电源不足而无法正常工作的情况.

3.2 室外自主导航技术

为便于装置在复杂室外环境的工作和管理，加入了自主定位导航控制部分.自主导航和定位功能单元基于ROS操作系统[4]，采用三维激光雷达、GPS、摄像头等智能感知融合技术来高效提取环境信息，并采用了基于特征提取的三维激光SLAM算法来高效提取环境信息，并融合了Scan Context算法进行回环检测，得到了与室外实验场景一致的点云地图，最终实现装置在室外环境下的自主导航.

(1)GPS/IMU组合定位

GPS是最常用的室外定位方式，但是单一的GPS定位精度和可靠性均无法满足装置的需求，GPS在受遮挡或者被信号干扰时，会丢失定位信息，可能导致洗手台翻倒破损.IMU(惯性测量单元)[5]通过自身陀螺仪和加速度计获取本体的加速度和角速度，从而推算出自身位置.无人化导航过程中常采用GPS/IMU组合导航定位[6]，利用两种传感器互补的特性，将GPS信息和IMU传感信息融合使用，获得更优的定位效果.

根据使用要求的不同，常见的GPS/IMU组合导航分为松组合、紧组合和超紧组合3种模式.实际工程中常使用松、紧两种组合模式.松组合模式下，采用GPS输出的位置和速度和IMU融合，如图7所示松组合模式下，GPS和IMU都是独立工作，GPS输出信息与IMU输出数据融合，抑制IMU的累积误差，该模式计算量小、容易实现，实时性较高.但该组合缺点是GPS输出的位置和速度信息伴有噪声，该模式的定位精度欠缺.紧组合实现了GPS伪距、伪距率的融合，如图8所示.

图7 GPS/IMU松组合原理图

图8 GPS/IMU紧组合原理图

(2)室外SLAM技术

在GPS的定位基础上，提高机器人的定位精度，需要感知周围地图环境地标来纠正位姿，构建环境地图则需要准确的位姿.为解决该问题，需要同时定位与建图(SLAM)[7]的思想，即将装置定位与地图创建相结合，得到更准确的定位和地图.

采用图优化的方式完成装置的定位与建图.将GPS/IMU数据融合到SLAM过程中，实现更准确的定位与地图构建.

图9 SLAM算法流程

通过坐标变换，将激光三维光点云坐标由每时刻的激光坐标系，转换到全局的地图坐标系，即完成了三维地图的构建.

图10 三维拼接地图

4 装置可行性分析

4.1 使用次数计算

为更加便利地服务居民，需要洗手台能够较长时间地正常工作，其储水量满足大部分人群的卫生需求.因此，需要通过计算得到洗手台最大使用次数，以便了解装置是否满足需求，可以进行范围推广.为减少水的浪费，水龙头加上了超声雾化节水器，在满足洗手的同时节省水.加上节水器的水龙头流量为每10 s出水150～180 ml，节水率能达到98%.

相关调查研究表明，人们在户外环境中进行手部卫生处理时间通常在10 s左右，由此通过流量计算可知，每人每次大约使用160 ml的水.而装备的储水箱最大容水量为42 L，结合水龙头和水泵的流量计算，洗手台至少能够供给使用260余次，足以满足工作时间的使用.

4.2 电机功率计算

为实现装置正常工作时的供水供电，水泵性能参数以及配备的电源选择是关键问题，需要进一步研究考虑.

采用直流12 V供电的微型直流水泵进行水的输送.通过在进口处能够持续形成真空或负压，排水口处形成较大输出压力来实现由低向高处供水.需要得到水泵消耗的功率，以便确定选用的驱动电机及供给电源.

水泵电机功率计算公式：

N=K·P，

(1)

P=Pe/η，

(2)

Pe=ρgQH，

(3)

联立式(1)、(2)、(3)，解得：

N=KρgQH/η(W)=KρgQH/1000η(kW) ，

(4)

式中各个符号的含义如下：

P：泵的轴功率(输入功率)；Pe：泵的有效功率(输出功率)；ρ：泵输送介质的密度(kg/m3)，一般水的密度为1 000 kg/m3；Q：泵的流量(m3/s)；H：泵的扬程(m)；g：重力加速度(m/s2)；K：电动机的安全系数，一般取1.1～1.3；η：泵的效率.

装置选用的水泵为微型水泵，最大流量为1 L/min，最大扬程为3 m.利用公式(4)进行计算：

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

K取1.25；输送的介质是水，ρ为1 000 kg/m3；重力加速度g为9.8 m/s2；流量Q=1 L/min=0.06 m3/s；使用到的最大扬程不超过1 m，H取1 m；泵的效率η取70%.

所以得到泵的电机功率为1.05 kW，能够提供装置的正常供水工作所需的动力.

4.3 电源(蓄电池)选型

由上述的计算分析，选用了型号为DC30A-1230的水泵，工作时最大负载电流为0.35A.

蓄电池容量计算：

Q≥KIT/η[1+α(t-25)] ，

(5)

式中：Q：蓄电池容量(AH)；K：安全系数，取1.25；I：负荷电流(A)；T：放电小时数(h)；η：放电容量系数(放电10 h时，η为1)；T：实际电池所在地最低环境温度值(按0 ℃考虑)；

a：电池温度系数(1/℃),当放电小时率≥10时，取a=0.006；

将上述数据代入式(5)得到：

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

所以选择12 V，7AH的铅酸蓄电池，满足供电需求.

5 结 论

室外移动洗手台的设计研发旨在解决室外人群卫生处理难的问题，核心部分在于将使用后的污水通过有效处理回收利用，并且能够在完成工作或有需要时自主定位导航返回存放点进行电源和水的补充.本文通过solid works软件进行了整体装置三维数字模型的构建，验证了装置的可行性.室外移动洗手台具有创新性和先进性，拥有广阔的市场前景.