潘胤卓

摘 要：目前環(huán)衛(wèi)工人清潔小區(qū)衛(wèi)生，主要采用手推垃圾車，配合相應(yīng)的清掃工具作業(yè)。操作者需邊推車邊打掃，作業(yè)效率低，勞動強(qiáng)度大。如實(shí)現(xiàn)垃圾車跟隨作業(yè)者工作，并具有吸垃圾的功能，可提高環(huán)衛(wèi)工人工作效率。為了提高環(huán)衛(wèi)工人的工作效率，本人設(shè)計(jì)了具有跟蹤功能的吸塵器，可實(shí)現(xiàn)清潔車邊吸垃圾邊跟隨操作者的功能。本文分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)三方面闡述該設(shè)備的設(shè)計(jì)原理和方法。

關(guān)鍵詞：吸塵器 UWB定位 跟蹤

一、引言

目前主流的跟隨技術(shù)有兩種，分別是視覺跟隨技術(shù)和UWB跟隨技術(shù)。視覺跟蹤技術(shù)采用CCD攝像頭傳感器，主要依靠圖像特征進(jìn)行定位，具有價(jià)格高、處理復(fù)雜、成本高等特點(diǎn)，在光線不足和視線受阻的情況下無法工作，不適應(yīng)夜晚和人流密集的環(huán)境。UWB跟蹤技術(shù)采用無線脈沖波定位，具有定位準(zhǔn)確度高，成本低，不受光線和視線遮擋的影響等特點(diǎn)。由于環(huán)衛(wèi)工人作業(yè)環(huán)境人流密集，時(shí)而夜晚作業(yè)，跟蹤吸塵器采用UWB定位技術(shù)，可降低環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨的作業(yè)效果。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）跟蹤吸塵器整體結(jié)構(gòu)

跟蹤吸塵器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由吸塵裝置、行走裝置和架體組成。

圖1 跟蹤吸塵器結(jié)構(gòu)圖

（二）吸塵裝置設(shè)計(jì)

吸塵裝置由殼體、風(fēng)機(jī)、濾芯、隨意停支桿、吸塵管和滿倉傳感器組成，如圖2所示。風(fēng)機(jī)在殼體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，垃圾雜物由吸塵管進(jìn)入殼體。滿倉傳感器通過檢測垃圾的高度判斷垃圾桶是否滿倉。隨意停支桿可支撐殼體抬起，便于操作者更換垃圾箱。吸塵管由PU軟管、PLA硬管、手持控制器、萬向輪組成，如圖3所示，具有操作簡單靈活的特點(diǎn)。

圖2 吸塵裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 吸塵管結(jié)構(gòu)圖

（三）行走裝置結(jié)構(gòu)

行走裝置由兩個(gè)驅(qū)動輪和兩個(gè)萬向輪組成，驅(qū)動輪由電機(jī)、聯(lián)軸器、支撐架、電磁離合器和輪胎組成。電磁離合器可連接或斷開電機(jī)的動力輸入，切換跟隨模式和手動模式。工作時(shí)，當(dāng)遇到復(fù)雜路況時(shí)，切換到手動模式，清潔車由操作者推動，應(yīng)對不同的工作環(huán)境。

三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）UWB跟隨技術(shù)原理

該設(shè)備采用的UWB跟隨系統(tǒng)，一共三個(gè)UWB模塊，被跟隨者手持一個(gè)模塊（標(biāo)簽0），另外兩個(gè)模塊需要安裝在跟蹤式吸塵器的兩側(cè)（基站1和基站2）。此UWB模塊供電使用的是5v電源，當(dāng)移動模塊開關(guān)打開后，就會發(fā)射出無線信號，安裝在跟蹤式吸塵器上的兩個(gè)UWB基站接收到信號后，通過測量跟蹤式吸塵器上兩個(gè)模塊（基站1和基站2）與手持模塊（標(biāo)簽0）之間的距離，根據(jù)余弦定理，可以得出標(biāo)簽0相對于基站1、基站2的相對角度，并得到清潔車中點(diǎn)到手持模塊的距離，從而實(shí)現(xiàn)跟隨功能。系統(tǒng)最大跟隨距離為50m，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力。在清潔車基站的安裝過程中，兩個(gè)UWB基站盡量遠(yuǎn)一點(diǎn)，這樣測距產(chǎn)生的誤差對于角度的誤差會相對較小。

圖4 UWB跟隨技術(shù)原理圖①? 圖5 UWB跟隨技術(shù)原理圖②

如圖4所示，X為基站1到基站2的距離，Y、Z分別為基站1、基站2到標(biāo)簽0的距離。程序會完成標(biāo)簽0與基站1和基站2之間距離測量，三角形的三個(gè)邊確定后，則通過余弦定理即可算出G的角度。

對于跟蹤式吸塵器來說，只需要知道一個(gè)距離和產(chǎn)生的角度即可，當(dāng)跟蹤式吸塵器與標(biāo)簽0之間的距離大于所設(shè)定距離時(shí)，就會啟動跟蹤，當(dāng)跟蹤式吸塵器與標(biāo)簽0之間的距離小于設(shè)定距離時(shí)，清潔車則停止不動。如圖5所示，當(dāng)位置關(guān)系滿足A情況，清潔車需要右轉(zhuǎn)，滿足B情況則直行，而C情況則左轉(zhuǎn)。

（二）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備控制器選用STM32F103C8T6單片機(jī)，是一款嵌入式32位的微控制器。它的工作溫度在-40℃～85℃之間，工作電壓2V～3.6V。其MCU具有高性能、實(shí)時(shí)性好、數(shù)字信號處理能力強(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)，同時(shí)保持高集成度和開發(fā)簡易的特點(diǎn)。并且具有易于集成，體積小等優(yōu)勢。

（三）DWM1000模塊

定位模塊采用的是DW1000無線收發(fā)芯片，支持同步數(shù)據(jù)傳輸和精準(zhǔn)定位，它的最遠(yuǎn)傳輸距離可以達(dá)到450m。芯片所耗功率也是非常的低。最小誤差可以控制在10cm之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)定位和雙向測距，其效果顯著。該模塊由模式變換器、收發(fā)器，SPI接口，電路以及狀態(tài)控制器組成。通過控制寄存器來實(shí)現(xiàn)切換不同的工作狀態(tài)。抗干擾能力強(qiáng)，且適合復(fù)雜環(huán)境的定位應(yīng)用。所采用的是主控制芯片接口與SPI總線。最高速率可達(dá)到20MHZ。

系統(tǒng)以STM32F103C8為主設(shè)備，DWM1000模塊為從設(shè)備。SI、CS、SCLK、SO引腳為DWM1000模塊核心控制引腳。

四、動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的動力系統(tǒng)由行走動力和吸塵動力兩部分組成。相比較于鉛酸蓄電池，鋰電池具有能量密度高、質(zhì)量輕、環(huán)保、充電次數(shù)多的優(yōu)點(diǎn)?？紤]到該設(shè)備在特殊路況需要操作者推動的特點(diǎn)，需要選用質(zhì)量輕高能量密度的電池。該設(shè)備選用24V的磷酸鐵鋰電池，容量為102AH，最大放電電流為140A，在額定電流下可工作2小時(shí)。

兩臺行走電機(jī)分別裝于兩個(gè)驅(qū)動輪，由電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)的啟動、停止、反轉(zhuǎn)和調(diào)速，從而控制設(shè)備的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。

吸塵風(fēng)機(jī)的工作電壓為AC220V，功率1.1KW。由于電機(jī)啟動電流是額定電流3倍以上，選用24V，5000W的逆變器，將直流24V轉(zhuǎn)化為交流220V，為吸塵風(fēng)機(jī)提供動力。

五、小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種具有跟蹤功能的吸塵器，采用了基于UWB技術(shù)的定位跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用TDOA算法，具有精度高、成本低、工程易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。該設(shè)備可提高環(huán)衛(wèi)工人的作業(yè)效率，保障群眾生活環(huán)境清潔衛(wèi)生。

參考文獻(xiàn)

[1]張豐，李順霖，陳仁，謝印忠.基于跟蹤系統(tǒng)的智能行李箱[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019，9（3）：156—158.

[2]周馳東.磁導(dǎo)航自動導(dǎo)向小車（AGV）關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[3]李世光.基于STM32的超市智能跟隨購物機(jī)器人設(shè)計(jì)[C].中國自動化學(xué)會、濟(jì)南市人民政府.2017中國自動化大會（CAC2017）暨國際智能制造創(chuàng)新大會（CIMIC2017）論文集.中國自動化學(xué)會、濟(jì)南市人民政府：中國自動化學(xué)會，2017：319—323.

[4]景建斌，張?jiān)讫?基于DW1000的跟蹤購物車系統(tǒng)[J].中國科技信息，2019（07）：90—91，93.