校園小型無人駕駛清掃技術(shù)研究

●史立秋 程 亮 江 霖 王少俊

無人駕駛在乘用和物流貨運(yùn)領(lǐng)域面臨的是開放式環(huán)境，要應(yīng)對很多極端環(huán)境，需要積累大量經(jīng)驗(yàn)。而無人駕駛在環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域的應(yīng)用場景更多是封閉式環(huán)境，不需要積累那么多數(shù)據(jù)和測試，能夠有效替換繁瑣、辛苦的環(huán)衛(wèi)工作，降低環(huán)衛(wèi)工作者工作強(qiáng)度，提高清掃效率，還可以解決高溫、霧霾、凌晨加班、影響交通等危險(xiǎn)性條件的困擾，守護(hù)城市潔凈與美麗，具有商業(yè)和社會(huì)雙重價(jià)值①②③。

城市環(huán)衛(wèi)清掃市場規(guī)模巨大，據(jù)粗略估算，全國道路清掃的費(fèi)用已經(jīng)接近萬億量級，而環(huán)衛(wèi)公司60%以上是人力成本。無人駕駛清掃車每小時(shí)能行駛4 公里，清掃寬度在2～3 米之間，一輛車干的活相當(dāng)于10～20 人的工作量，國外由于人力成本高和保潔標(biāo)準(zhǔn)的不同，市場規(guī)模更大④⑤⑥。

作為未來汽車的發(fā)展方向，無人駕駛技術(shù)備受社會(huì)各界的關(guān)注。自動(dòng)駕駛汽車的技術(shù)主要依托于人工智能、視覺計(jì)算、雷達(dá)、監(jiān)控裝置和全球定位系統(tǒng)的協(xié)同合作來實(shí)現(xiàn)，保證在沒有人類主動(dòng)操作的前提下，電腦能獨(dú)立的控制車輛安全行駛⑦。

目前，已有部分企業(yè)的無人駕駛清掃車投向市場應(yīng)用，清掃的基本功能都已實(shí)現(xiàn)，但在清掃裝置上均尚未做出創(chuàng)新突破。在保證車輛低速平穩(wěn)行駛前提下，添加了清掃垃圾處理裝置，對垃圾存放進(jìn)行調(diào)整，大大地提升了清掃效率⑧⑨⑩。

一、無人駕駛清掃車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

相比較而言，國內(nèi)低速自動(dòng)駕駛公司更多的是投入到低速載貨上，而國外低速自動(dòng)駕駛公司更多精力放在載人上。從整個(gè)環(huán)衛(wèi)行業(yè)分析，現(xiàn)狀環(huán)衛(wèi)作業(yè)主要是依靠人力勞動(dòng)，且環(huán)衛(wèi)行業(yè)普遍存在作業(yè)強(qiáng)度過高、作業(yè)環(huán)境惡劣、行業(yè)待遇偏低等等，所以國內(nèi)環(huán)衛(wèi)作業(yè)主要是農(nóng)村大齡勞動(dòng)力④。

2017 年9 月11 日，百度攜手智行者推出國內(nèi)首款無人駕駛環(huán)衛(wèi)車，實(shí)現(xiàn)我國無人駕駛環(huán)衛(wèi)車的首次商用。

2018 年4 月24 日，酷哇攜手中聯(lián)環(huán)境發(fā)布全球首臺具備全路況清掃、智能路徑規(guī)劃的無人駕駛掃地車，該掃地車將于年內(nèi)在蕪湖、合肥、長沙、上海等四所城市“落地”。

2018 年9 月，北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)推出7 款純電動(dòng)無人駕駛環(huán)衛(wèi)車投入試運(yùn)營.

2018 年11 月，智行者和首鋼合作的無人駕駛清潔車“蝸小白”已正式投入量產(chǎn)，為園區(qū)提供機(jī)器人清掃配送服務(wù)。

2018 年12 月，宇通下線純電動(dòng)無人駕駛掃路機(jī)投入運(yùn)營。

2019 年7 月2 日，高仙機(jī)器人與浩睿智能聯(lián)合研發(fā)生產(chǎn)的第二代無人駕駛環(huán)衛(wèi)車Ecodrive (愛科駕) SweeperG2 投入使用，首臺落地應(yīng)用已于河南省鶴壁5G 產(chǎn)業(yè)園亮相。

“蝸小白”配備自主研發(fā)的高精度定位傳感器以及多個(gè)探測傳感器，集激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波雷達(dá)等傳感器于一體，實(shí)現(xiàn)了自主作業(yè)④。清掃車脫離人工操作，自主在路面上完成清掃、灑水、垃圾收集等工作?！拔佇“住钡某霈F(xiàn)極大地提高了清潔效率、降低了人工成本，同時(shí)讓清潔更智能。在外觀設(shè)計(jì)上，“蝸小白”去除了駕駛倉，以小巧可愛的形象強(qiáng)勢登陸市場，其輕巧的身軀能夠讓它服務(wù)于室內(nèi)、室外等多元化的應(yīng)用場景。

圖1 渦小白實(shí)物

來自仙途智能的一輛自動(dòng)駕駛清掃車在德國威廉港內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)營，整車重1.2 噸、寬1.5，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蘇醒、貼邊清掃、自動(dòng)避讓和自動(dòng)泊車歸位等功能。仙途智能的核心技術(shù)360 度感知無人駕駛清潔車系統(tǒng)，通過360 度環(huán)繞攝像頭，清掃車可以對物體的分類進(jìn)行準(zhǔn)確識別；云端數(shù)據(jù)處理平臺，實(shí)現(xiàn)了車輛調(diào)度分配監(jiān)控遠(yuǎn)程控制；仿真引擎自動(dòng)學(xué)習(xí)，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)日行千里，讓智能車可以自動(dòng)完成啟動(dòng)、清掃、避讓障礙物、識別紅綠燈、傾倒垃圾、停車等規(guī)律的動(dòng)作。除了充電和加水，清掃車不受時(shí)間的限制，有效地將道路清掃保潔從低效率、高風(fēng)險(xiǎn)中解放出來，還可以減少擾民現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 仙途智能

從功能上看，目前的無人駕駛環(huán)衛(wèi)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)完善，基本已滿足了環(huán)衛(wèi)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)要求，但還并未出現(xiàn)清掃設(shè)備處理上的再升級。

二、無人駕駛清掃車技術(shù)指標(biāo)

校園小型無人駕駛環(huán)保清掃車具有清潔效率高、節(jié)約成本、有利于后期對垃圾進(jìn)行處理、便于檢修的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格遵照安全性、穩(wěn)定性、功能實(shí)效性等多各原則。對該無人駕駛清掃車提出以下幾個(gè)方面的主要技術(shù)指標(biāo)要求：（1） 額定功率：1000W；（2）工作電壓：24V；（3）電池類型：三元鋰電池；（4）清掃寬度：1m；（5）垃圾箱容量：125L；（6）設(shè)備占地面積：≤4.5m2；（7）設(shè)計(jì)壽命：≥3 年（8）最大行駛速度：5Km/h；（9）車輪：四個(gè)麥克納姆輪。

三、無人駕駛清掃車總體設(shè)計(jì)方案

校園小型無人駕駛清掃車的總體設(shè)計(jì)方案如圖3 所示。

圖3 總體方案設(shè)計(jì)路線圖

（一）傳感器系統(tǒng)

應(yīng)用在無人車上的傳感器設(shè)備主要由以下幾類組成：

1.激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的精度非常高，白天晚上都能正常工作，但是下雨下雪的話，會(huì)對它造成干擾。雖然說它擅長遠(yuǎn)距離的偵測，但是近距離反倒不行，另外就是價(jià)格比較貴。

2.電磁波雷達(dá)。各種天氣情況都能用，而且在偵測物體的速度上特別有效。唯有一點(diǎn)，它的精度不如激光雷達(dá)那么高，但價(jià)格很便宜。

3.超聲波探測器：它的最大優(yōu)勢就是，能夠準(zhǔn)確地感知離自己近的物體，可以補(bǔ)足激光雷達(dá)遠(yuǎn)視的盲區(qū)。而且體積小，價(jià)格也并不貴。

4.被動(dòng)式視覺傳感：比較依賴光線，可以識別顏色。它可以看到紅綠燈和交通標(biāo)識。

結(jié)合本設(shè)計(jì)無人駕駛清掃車，根據(jù)功能性要求，這里需要考慮的是如何測定車輛前方是否有障礙物或者行人，以及障礙物距離我們的車體到底還有多遠(yuǎn)。

（二）動(dòng)力系統(tǒng)選配

電源采用蓄電池，電能驅(qū)動(dòng)更為適應(yīng)校園場景，節(jié)能環(huán)保且充電方便。蓄電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力源的汽車，它利用蓄電池作為儲(chǔ)能動(dòng)力源，通過電池向電動(dòng)機(jī)提供電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)汽車行駛⑥。

純電動(dòng)汽車可充電電池主要有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等，這些電池可以提供純電動(dòng)汽車動(dòng)力。同時(shí)，純電動(dòng)汽車也通過電池來儲(chǔ)存電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，讓車輛正常行駛。從安全性、功用性角度考慮，這里我們選用常規(guī)電池組，大約96 個(gè)4.2V 的鋰離子電池串聯(lián)。兩個(gè)直流電機(jī)清掃機(jī)組，兩個(gè)所述直流電機(jī)清掃機(jī)組均設(shè)置在所述車體的底部，將電源的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能來驅(qū)動(dòng)車體以及清掃機(jī)構(gòu)。

（三）整車架構(gòu)

整車的架構(gòu)這里主要分為兩個(gè)部分，包括車身以及底板。

車身主要是需要考慮到各傳感器的位置安放，以及車輛的外觀結(jié)構(gòu)。本文作者在車身頂部設(shè)置了激光雷達(dá)的安裝定位盒，在車身四周中心位置安放了紅外傳感器以及距離傳感器的定位盒。車體底板主要是起到承載車體內(nèi)部各機(jī)構(gòu)件的作用，在底板上面分別對無人駕駛清掃車的垃圾處理的吸塵器、攪碎機(jī)、壓縮箱、收集盒等部件進(jìn)行位置合理劃分，即將吸塵器以及清掃機(jī)對稱分布在車身中間靠前位置，吸塵器的疏導(dǎo)通道導(dǎo)進(jìn)中間的粉碎箱中，粉碎箱安放在吸塵器中間；壓縮箱位于粉碎箱后方；最后尾部是垃圾收集盒，通過導(dǎo)軌可從車體尾部拉出。

（四）清掃系統(tǒng)

清掃系統(tǒng)是本文的核心設(shè)計(jì)點(diǎn)，這里主要是將清掃系統(tǒng)大致劃分了掃地機(jī)、吸塵器、攪碎機(jī)、壓縮箱、垃圾收集盒幾部分。在車輛正常行駛的過程中，通過底部的掃地機(jī)將垃圾進(jìn)行收集，由吸塵器通過管道將垃圾吸入車體，輸送到垃圾粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎環(huán)節(jié)，粉碎后的垃圾再導(dǎo)入壓縮箱里通過液壓傳動(dòng)壓件壓縮，減小垃圾的體積，最后送至垃圾收集盒中，垃圾收集盒位于車體末端，方便無人駕駛清掃車完成任務(wù)后進(jìn)行垃圾處理。

四、結(jié)束語

設(shè)計(jì)一種針對校園這一特定環(huán)境的無人駕駛清掃車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)其功能要求，主要把結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容劃分為傳感器系統(tǒng)的選配、動(dòng)力系統(tǒng)的選配、車身系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及清掃系統(tǒng)具備的機(jī)構(gòu)等四部分內(nèi)容來分析，核心思想就是將無人駕駛和清掃相結(jié)合。本文核心設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)主要體現(xiàn)在清掃系統(tǒng)，其中清掃系統(tǒng)主要包含了垃圾清掃機(jī)、吸塵器、垃圾粉碎箱、垃圾收集盒。核心設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是具備垃圾處理功能，可將收集的垃圾進(jìn)行粉碎及壓縮處理，大大提升了垃圾的收容運(yùn)輸效率。

注釋：

①高曉紅.小型道路清掃車的研究與設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2019(05)：110- 113

②同濟(jì)大學(xué). 一種帶有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的多模式智能電動(dòng)清掃車：CN201920249583.X[P].2019- 11- 01

③梁臣.多功能路面清掃車的結(jié)構(gòu)原理與維護(hù)[J].智能城市，2019，5(04)：114- 115

④李靖.無人駕駛清掃開啟智慧環(huán)衛(wèi)新時(shí)代[J].上海信息化，2019(06)：53- 55

⑤朱忠攀，吳憲，李剛，施超.低速無人清掃車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及控制模型[J].機(jī)電一體化，2017，23(12)：46- 50

⑥馮玉松，張叢叢.新能源清掃車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018(23)：3- 5

⑦閔海濤，張明智，于遠(yuǎn)彬，閻備戰(zhàn).道路清掃車上裝作業(yè)機(jī)構(gòu)智能化控制發(fā)展趨勢[J].專用汽車，2019(08)：64- 68

⑧鄂爾多斯市普渡科技有限公司.一種無人駕駛多功能道路清掃車：CN201811188570.2[P]. 2019- 01- 18

⑨李效義.壓縮式垃圾車翻桶機(jī)構(gòu)的幾種型式及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析[J].科技信息，2012(24)：402- 403

⑩Jo， K.，Sunwoo， M..Generation of a Precise Roadway Map for Autonomous Cars [J].IEEE transactions on intelligent transportation systems，2014，15(3)：925- 937