吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院 閔海濤 張明智 于遠(yuǎn)彬

鄭州宇通重工有限公司 閻備戰(zhàn)

針對(duì)道路清掃車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行了總結(jié)，提出了道路清掃車半自動(dòng)化的觀點(diǎn)，并對(duì)影響傳統(tǒng)道路清掃車能源損耗的主要因素和影響道路清掃車作業(yè)功率的因素進(jìn)行了分析，提出智能化道路清掃車作業(yè)功率控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)。

隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的大力投入，我國(guó)城鎮(zhèn)化率逐步上升，同時(shí)人們對(duì)城市衛(wèi)生環(huán)境的需求也不斷上升，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年年末，城市道路清掃保潔面積為94.44億m2，復(fù)合增長(zhǎng)率約為9.00%。道路清掃保潔面積變化曲線如圖1所示，2017年上半年度，我國(guó)環(huán)衛(wèi)車總產(chǎn)量為4.7萬(wàn)輛（+32.43%），預(yù)計(jì)2020年增加需求30萬(wàn)輛。由此可見(jiàn)，市場(chǎng)對(duì)城市環(huán)衛(wèi)車的性能需求也在逐年上升[1]。

城市環(huán)衛(wèi)車的出現(xiàn)不僅解放了更多的人力資源，同時(shí)也能滿足更高的清掃要求：環(huán)衛(wèi)車的掃地吸塵系統(tǒng)相當(dāng)于人工的6～40倍。但是，由于現(xiàn)階段環(huán)衛(wèi)車智能化水平低、能量損耗大、仍需大量的人工操作與干預(yù)，已經(jīng)不能適應(yīng)智能化發(fā)展的需要。隨著生活環(huán)境清潔衛(wèi)生要求的提高，城市路面的清掃保潔工作已由傳統(tǒng)人工清掃的低效率作業(yè)方式向清掃效率高和效果好的機(jī)械作業(yè)發(fā)展。

圖1 道路清掃保潔面積變化曲線

國(guó)內(nèi)外環(huán)衛(wèi)車發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段環(huán)衛(wèi)車主要為清掃、垃圾回收一體化的傳統(tǒng)燃油環(huán)衛(wèi)車，燃油消耗量大同時(shí)有較大的能源損耗，而新能源環(huán)衛(wèi)車能實(shí)現(xiàn)環(huán)保、低能耗等需求，相比于燃油環(huán)衛(wèi)車，新能源環(huán)衛(wèi)車使用成本降低50%～80%，混合動(dòng)力類環(huán)衛(wèi)車節(jié)油率可達(dá)25%～65%，純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車節(jié)油率達(dá)100%[2]，故國(guó)內(nèi)外企業(yè)都致力于采用新能源清掃車代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油清掃車，以期望降低清掃車燃油消耗。我國(guó)也在大力推進(jìn)新能源環(huán)衛(wèi)車尤其是純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車的發(fā)展[3]，但是新能源環(huán)衛(wèi)車卻無(wú)法減少作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的非必要能源損耗，要想從根本上減少非必要能源損耗，未來(lái)環(huán)衛(wèi)車的技術(shù)優(yōu)化必然要向智能化與信息化靠攏。

目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的環(huán)衛(wèi)車都在不斷提高其智能化水平，例如美國(guó)公司生產(chǎn)的環(huán)衛(wèi)車能夠通過(guò)溫度、液位、壓力、距離、貨重等多種傳感器采集環(huán)衛(wèi)車智能控制所需的各種數(shù)據(jù)信息，并由中央控制器進(jìn)行加工處理，進(jìn)一步控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的功能，可以實(shí)現(xiàn)垃圾箱自動(dòng)裝卸垃圾、避障警示等多種功能。國(guó)內(nèi)環(huán)衛(wèi)車研發(fā)起步比較晚，但大部分環(huán)衛(wèi)車也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上裝卸載作業(yè)，到目前為止國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車數(shù)量仍然屈指可數(shù)。雖然深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺(jué)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了無(wú)人駕駛汽車行業(yè)的研究進(jìn)程，不僅是傳統(tǒng)汽車公司，各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭也紛紛投入大量人力物力研發(fā)智能汽車。作為汽車行業(yè)的重要組成部分，環(huán)衛(wèi)車的智能化進(jìn)度也在快速推進(jìn)[4]。據(jù)媒體報(bào)道，沃爾沃無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車已經(jīng)在瑞典投入運(yùn)營(yíng)，將被用于垃圾回收等環(huán)節(jié)，此外國(guó)內(nèi)企業(yè)也在積極地進(jìn)行無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車領(lǐng)域的探索——百度早在2017年9月就聯(lián)合智行者推出了國(guó)內(nèi)首款無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外推出的無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車對(duì)底盤與上裝系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的自動(dòng)化集成與智能化控制，采用機(jī)電液一體化集成設(shè)計(jì)方案，并加入了智能決策和控制，但是由于忽視了整車平臺(tái)的工作穩(wěn)定性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面存在一定的缺陷：在上裝系統(tǒng)方面，其自動(dòng)控制僅僅依賴于單一傳感技術(shù)，需手動(dòng)開(kāi)啟且控制量單一，缺乏多執(zhí)行器之間的聯(lián)動(dòng)與協(xié)調(diào)控制，無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜工況下的工作，且無(wú)法根據(jù)路面作業(yè)工況實(shí)時(shí)檢測(cè)，因此，現(xiàn)有智能環(huán)衛(wèi)車的整體智能化水平和集成化控制程度亟需提高，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)階段對(duì)智能環(huán)衛(wèi)車的要求。

同時(shí)，由于無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車目前還存在很多不足，現(xiàn)階段的無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車主要應(yīng)用于公園、小區(qū)、廣場(chǎng)等封閉式或半封閉式場(chǎng)景中，不能真正實(shí)現(xiàn)“上路”作業(yè)，想要大規(guī)模普及甚至取代人工駕駛的環(huán)衛(wèi)車還需要很久。

由此看來(lái)，現(xiàn)階段環(huán)衛(wèi)車的優(yōu)化不能只著眼于無(wú)人駕駛，而應(yīng)注重應(yīng)用智能化技術(shù)降低環(huán)衛(wèi)車能源損耗，即能夠根據(jù)具體作業(yè)工況實(shí)時(shí)檢測(cè)并提供最優(yōu)的執(zhí)行器功率選取，以實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)車半自動(dòng)化。這不僅能為環(huán)衛(wèi)車完全智能化打下基礎(chǔ)，同時(shí)也能滿足現(xiàn)階段在大范圍內(nèi)降低能耗的需求。

道路清掃車智能優(yōu)化

傳統(tǒng)道路清掃車進(jìn)行道路清掃時(shí)，駕駛員根據(jù)具體作業(yè)工況在操作面板上依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行風(fēng)機(jī)、掃盤以及高壓水泵擋位的選取，控制各執(zhí)行器的清掃擋位，如圖2所示，但是人工選取作業(yè)擋位存在不準(zhǔn)確、易受駕駛員個(gè)人習(xí)慣影響等問(wèn)題，并且在實(shí)際作業(yè)中，根據(jù)大多數(shù)駕駛員操作習(xí)慣，選取的清掃擋位往往比實(shí)際所需擋位高，而相鄰擋位掃盤轉(zhuǎn)速相差20～40rad/min，高一擋位風(fēng)機(jī)功率大約為低一檔位風(fēng)機(jī)功率的一倍，擋位選取不合理會(huì)造成很大的能量損失。

圖2 傳統(tǒng)道路清掃車擋位控制

此外，由于水泵不同擋位之間損耗功率差別較小，故道路清掃車智能化優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)為最優(yōu)掃盤、風(fēng)機(jī)擋位的選取。

1.作業(yè)擋位影響因素的選取

城市道路清掃車作業(yè)工況較為復(fù)雜，城市道路存在紙屑、果皮、樹葉、塑料袋等各類生活垃圾，如圖3所示。

圖3 各類生活垃圾

道路清掃車需通過(guò)掃盤、風(fēng)機(jī)將道路垃圾清掃并且回收，試驗(yàn)表明，垃圾種類不同時(shí)，所需的最低掃盤擋位、最低風(fēng)機(jī)擋位不盡相同。由此在智能化選取道路清掃車作業(yè)擋位時(shí)，應(yīng)將路面垃圾物種類作為影響作業(yè)擋位選取的主要因素。

同時(shí)，若路面垃圾種類單一，垃圾數(shù)與執(zhí)行器功率成正比，即單一種類垃圾物占地體積越大所需執(zhí)行器功率（擋位）也隨之增大，故同時(shí)選取單一種類垃圾物占地體積比即覆蓋率作為影響作業(yè)擋位選取的主要因素。

2.智能化作業(yè)功率控制系統(tǒng)

為達(dá)到智能化選取道路清掃車作業(yè)擋位的目的，在傳統(tǒng)道路清掃車作業(yè)功率控制裝置的基礎(chǔ)上，添加攝像頭、車載級(jí)工控機(jī)Nuvo-5095GC、車載直流電源以及上裝集成控制器，構(gòu)建智能化作業(yè)功率控制系統(tǒng)。攝像頭通過(guò)GigE接口與工控機(jī)連接，車載直流電源分別給車載工控機(jī)及攝像頭供電，車載工控機(jī)通過(guò)CAN接口與上裝集成控制器連接，上裝集成控制器通過(guò)數(shù)字I/O接口與掃盤、風(fēng)機(jī)以及高壓水泵連接，如圖4所示。攝像頭用于實(shí)時(shí)獲取路面垃圾物圖像，車載級(jí)工控機(jī)識(shí)別攝像頭傳遞的圖像，通過(guò)CAN接口將識(shí)別信息傳遞給控制器，控制器包括底盤集成控制器以及上裝集成控制器，用于接收工控機(jī)的指令并向?qū)?yīng)的執(zhí)行器輸出數(shù)字I/O信號(hào)，控制執(zhí)行器動(dòng)作。

圖4 智能化作業(yè)功率控制系統(tǒng)

通過(guò)智能化作業(yè)功率控制系統(tǒng)，工控機(jī)可接收攝像頭傳來(lái)的道路垃圾物分布狀態(tài)信息并進(jìn)行決策，并將決策信息通過(guò)CAN接口發(fā)送至上裝集成控制器控制各執(zhí)行器作業(yè)檔位的選取，如圖5所示，由此，便能采用智能化決策代替?zhèn)鹘y(tǒng)道路清掃車駕駛員決策，以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、低能耗的目的。

圖5 智能化決策

3.關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

在智能化功率控制流程中，關(guān)鍵技術(shù)為：a. 工控機(jī)對(duì)視頻流信息的識(shí)別；b. 工控機(jī)根據(jù)識(shí)別信息得到所需執(zhí)行器功率；c. 底盤/上裝協(xié)同控制。下面分別針對(duì)這幾點(diǎn)進(jìn)行介紹。

3.1 作業(yè)工況識(shí)別

由于具體工況的識(shí)別是為了更加準(zhǔn)確地確定上裝功率的大小，故工況識(shí)別過(guò)程中，只需針對(duì)性地識(shí)別出對(duì)上裝功率影響最大的垃圾物種類以及單一垃圾物覆蓋率兩個(gè)參數(shù)即可。

首先，針對(duì)垃圾物種類的識(shí)別可應(yīng)用現(xiàn)階段廣泛使用的圖像處理算法，而圖像處理算法中以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法最為全面、智能，故擬采用Faster-Rcnn算法構(gòu)建路面垃圾物智能識(shí)別模型。

其次，構(gòu)建覆蓋率識(shí)別模型時(shí)，由于路面環(huán)境復(fù)雜，每一幀圖像信息可能存在噪聲、陰影、光斑等干擾因素，故應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行陰影剔除以及圖像去噪處理，進(jìn)一步地，為了獲取垃圾物的覆蓋率信息，應(yīng)將垃圾物單獨(dú)分割出來(lái)，即分割目標(biāo)（垃圾物）與背景（路面），最后進(jìn)行垃圾物覆蓋率判斷，得到每一種類垃圾物的占比及其覆蓋率，作業(yè)工況識(shí)別流程如圖6所示。

圖6 作業(yè)工況識(shí)別流程圖

3.2 上裝功率的確定

在實(shí)際作業(yè)時(shí)，對(duì)于掃盤、風(fēng)機(jī)的要求不盡相同，掃盤功率受路面狀態(tài)、垃圾親水性影響較大，而風(fēng)機(jī)擋位受垃圾物種類、質(zhì)量影響較大，若將兩個(gè)執(zhí)行器統(tǒng)一構(gòu)建一個(gè)功率控制模型，則功率控制不能達(dá)到其最優(yōu)效果，仍存在較大的誤差以及功率損失，故應(yīng)針對(duì)掃盤構(gòu)建掃盤功率擬合模型、針對(duì)風(fēng)機(jī)制定風(fēng)機(jī)擋位選取規(guī)則。

掃盤功率擬合模型構(gòu)建過(guò)程如下：

a. 試驗(yàn)獲取多組不同工況下的掃盤功率；

b. 采用主成分分析算法對(duì)輸入變量進(jìn)行降維處理；

c. 采用線性回歸算法擬合主成分與掃盤功率之間的函數(shù)關(guān)系，得到掃盤功率擬合模型。

風(fēng)機(jī)擋位選取規(guī)則制定過(guò)程如下：

a. 試驗(yàn)獲取各個(gè)組合某一覆蓋率下單類垃圾質(zhì)量mi、體積Vi，其中，下標(biāo)表示第i類垃圾，i=1,2,3,4,5，由此可得到單類垃圾覆蓋率與質(zhì)量、體積對(duì)應(yīng)表。

b. 采用盤掃將垃圾掃成一長(zhǎng)條狀，計(jì)算可得第i類垃圾盤掃后的堆狀垃圾長(zhǎng)Li：

式中，w為堆狀垃圾寬度，h為堆狀垃圾高度。

c. 計(jì)算第i類垃圾對(duì)應(yīng)的上裝系數(shù)：

定義單類垃圾上裝系數(shù)θi為：

式中，vc為清掃車清掃車速。

d. 得到n類垃圾混合后的等效上裝系數(shù)θn：

由此可得到風(fēng)機(jī)擋位-等效上裝系數(shù)θn關(guān) 系表。

3.3 底盤/上裝協(xié)同作業(yè)

此外，由于道路清掃車清潔城市道路是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，即道路清掃車需兼顧車輛自身的運(yùn)動(dòng)以及上裝動(dòng)作，這便引發(fā)了環(huán)衛(wèi)車又一典型問(wèn)題：車過(guò)后垃圾是否能夠完全清掃干凈？

由此，需對(duì)道路清掃車行駛車速進(jìn)行智能調(diào)控，調(diào)控時(shí)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)原則：

a. 當(dāng)攝像頭視野范圍內(nèi)垃圾物種類及覆蓋率超出一定閾值時(shí)應(yīng)降低車速甚至停下道路清掃車進(jìn)行路面保潔工作；

b. 當(dāng)攝像頭視野范圍內(nèi)無(wú)垃圾、難清掃垃圾物少時(shí)可適當(dāng)增大行駛車速；

c. 車速的調(diào)控應(yīng)以保證清潔度為前提。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，城市道路清掃車數(shù)量逐年增加，同時(shí)道路清掃車帶來(lái)的能量損耗問(wèn)題也日益顯著，本文針對(duì)道路清掃車能量損耗問(wèn)題分析了國(guó)內(nèi)外環(huán)衛(wèi)車發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)，提出了道路清掃車半自動(dòng)化的觀點(diǎn)，這不僅能為道路清掃車完全智能化打下基礎(chǔ)，同時(shí)也能滿足現(xiàn)階段在大范圍內(nèi)降低能耗的需求。

同時(shí)在此基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)道路清掃車能源損耗來(lái)源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)道路清掃車能源損耗主要來(lái)自于駕駛員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇高擋位作業(yè)功率，并根據(jù)此問(wèn)題分析道路清掃車典型作業(yè)環(huán)境，將垃圾物種類以及單一垃圾物覆蓋率作為影響因素，并且提出了智能化環(huán)衛(wèi)車作業(yè)功率控制系統(tǒng)，為后續(xù)的算法工作奠定了基礎(chǔ)。