馬進(jìn)，方遠(yuǎn)，羅軍，劉騏鳴，馬炯罡

應(yīng)用于地鐵市場的無人消毒小車設(shè)計研究＊

馬進(jìn)，方遠(yuǎn)，羅軍，劉騏鳴，馬炯罡

（杭州電子科技大學(xué)自動化（人工智能）學(xué)院，浙江 杭州 310000）

應(yīng)用于地鐵市場的無人消毒小車是以智能循跡小車為基本設(shè)計原型，然后借助激光檢測模塊及紫外燈進(jìn)行相應(yīng)的檢測和消毒工作。無人消毒小車的應(yīng)用可較好地滿足地鐵消毒工作的實(shí)際需求，對無人消毒小車的設(shè)計研究工作進(jìn)行了簡要闡述與分析，希望能夠推動無人消毒小車在地鐵等行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣。

無人消毒小車；智能循跡小車分類；整體設(shè)計；軟件設(shè)計

應(yīng)用于地鐵市場的無人消毒小車是通過自動循跡功能實(shí)現(xiàn)在地鐵車廂及過道中的移動。同時，在小車上配備相應(yīng)的紫外燈，以完成消毒工作。這種方式不僅提高了地鐵消毒工作的效率，極大方便了地鐵消毒工作的開展，而且為地鐵環(huán)境的安全衛(wèi)生保障和地鐵消毒制度的規(guī)范起到良好的保障作用。

1 智能循跡小車概述及分類

1.1 智能循跡小車概述

智能循跡小車是一種新型智能搬運(yùn)機(jī)器人，其主要研發(fā)和制造原理是在運(yùn)輸車上安裝配置電磁、光學(xué)或者其他自動引導(dǎo)裝置，以引導(dǎo)并約束運(yùn)輸車能夠按照制定的路徑行駛。

智能循跡小車主要采用充電蓄電池為動力電源，這樣就可以利用電腦程序來控制電源的工作量，以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車的運(yùn)動軌跡及相關(guān)動作命令的執(zhí)行控制。此外，還可以將電磁軌道粘貼在運(yùn)動線路上，確保運(yùn)輸車按照固定的行駛路線來運(yùn)動。

1.2 智能循跡小車分類

現(xiàn)階段，智能循跡小車的應(yīng)用范圍不斷被擴(kuò)大，其應(yīng)用類型也隨之增加。一般情況下，智能循跡小車的應(yīng)用類型主要是根據(jù)導(dǎo)航方式而劃分的，主要分為電磁感應(yīng)式、激光式和視覺式。

1.2.1 電磁感應(yīng)式

電磁感應(yīng)式智能循跡小車主要適用于地面工作，而且對于大型或者中大型的運(yùn)輸車，大多數(shù)情況都是采用電磁感應(yīng)式。首先需要在特定的工作路徑中預(yù)埋電線。然后在實(shí)際工作過程中，高頻電流通過導(dǎo)線時就會在其周圍產(chǎn)生相應(yīng)的電磁場，而智能循跡小車本身配置兩個高性能的電磁感應(yīng)傳感器，可以用來接收電磁信號并根據(jù)信號之間的差異性來分析判斷智能循跡小車是否按照預(yù)定的軌跡行駛。同時，智能循跡小車?yán)米詣踊刂葡到y(tǒng)根據(jù)信號的具體偏差值來實(shí)現(xiàn)對循跡小車運(yùn)動轉(zhuǎn)向的控制。此外，電磁感應(yīng)式智能循跡小車采用連續(xù)動態(tài)的閉環(huán)控制方式，更有利于循跡小車對運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤控制。

1.2.2 激光式

激光式智能循跡小車的應(yīng)用范圍相對比較廣泛。這種類型的循跡小車自身配置有可旋轉(zhuǎn)的激光掃描器，其安裝位置可以是墻壁，也可以是工作環(huán)境中的支柱或者其他路徑，但是都需要具備高反射激光定位標(biāo)志。這是因?yàn)榧す馐街悄苎E小車主要是利用激光掃描器來發(fā)射和接收激光束，并通過車載計算機(jī)分析計算激光信號所反饋出的車輛位置和運(yùn)動方向，將其與內(nèi)置的數(shù)字地圖進(jìn)行對比，以判斷出下一步循跡小車的運(yùn)動方向，這種處理方式完全是自動化的。同時，激光信號可以采用紅外信號或者超聲波信號來替代，以轉(zhuǎn)變成由紅外引導(dǎo)和超聲引導(dǎo)的智能循跡小車。

1.2.3 視覺式

視覺引導(dǎo)式智能循跡小車是目前發(fā)展速度最快且較為成熟的一種技術(shù)手段，其主要由CCD攝像機(jī)、傳感器和車載計算機(jī)組成，并將循跡小車的行駛路徑及周圍環(huán)境圖像數(shù)據(jù)等提前存儲在計算機(jī)數(shù)據(jù)庫中。在實(shí)際運(yùn)動過程中，實(shí)時調(diào)取相機(jī)獲取的圖像與數(shù)據(jù)庫中的信息相比較，以精準(zhǔn)掌握循跡小車當(dāng)前的位置和運(yùn)動軌跡情況，并對后續(xù)運(yùn)動動向作出相應(yīng)的判斷。視覺式引導(dǎo)智能循跡小車的優(yōu)勢在于不需要內(nèi)部設(shè)置特定人工物理路徑，具有較強(qiáng)的靈活性。但是隨著計算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)視覺式智能循跡小車的實(shí)用性不強(qiáng)。

2 智能循跡無人消毒小車整體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)基本組成

地鐵無人消毒小車主要由 STM32F103ZET6單片機(jī)主控系統(tǒng)、銀爾達(dá)漫反射激光循跡模塊、TB6600 57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制器驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、小車底板、電源模塊等組成。智能循跡小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

主控電路：由于STM32F103ZET6單片機(jī)具有低成本、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、超低功耗、低電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，因此將其作為控制單元，以方便燒錄程序、修改、調(diào)速等各項(xiàng)工作的進(jìn)行。

循跡模塊：主要采用銀爾達(dá)漫反射激光循跡模塊，其主要工作原理是由激光傳感器中的振蕩管作為信號發(fā)射源來發(fā)射180 kHz頻率的震蕩波，然后該震蕩波經(jīng)三極管放大和激光管發(fā)光，同時采用與180 kHz相匹配的接收管來接收返回信號。需要注意的是，接收管只能接受相同頻率的反射光以防止可見光對反射激光的影響。

驅(qū)動模塊：采用TB6600 57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制器為驅(qū)動模塊。該驅(qū)動器的性能良好，具有高電壓、大電流、響應(yīng)頻率高等優(yōu)勢，同時，電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動能力強(qiáng)、操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，此外，還具有脫機(jī)保持、提供節(jié)能的半自動電流鎖定功能和內(nèi)置溫度保護(hù)和過流保護(hù)功能，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜電路的功能需求。此外，該驅(qū)動器的輸出電壓可以根據(jù)輸入電壓來自動調(diào)節(jié)，以滿足不同負(fù)載能力的功能需求。

步進(jìn)電機(jī)：通常采用4臺57步進(jìn)電動機(jī)。步進(jìn)電動機(jī)是通過在電機(jī)的控制線上加上適當(dāng)?shù)碾妷簛韺?shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，并通過電壓量來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時，還可以采用PWM 調(diào)速來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電源模塊：電源主要以交流蓄電池為主。電源使用過程中，需要轉(zhuǎn)換成直流并經(jīng)穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓、降壓器降壓和電容濾波等處理提供給電機(jī)和單片機(jī)。

消毒模塊：主要采用紫外線消毒燈。這是因?yàn)樽贤饩€消毒殺菌的原理在于破壞微生物的DNA結(jié)構(gòu)，以使之失去繁殖和生存的功能。同時，該方法具有無色、無味、無化學(xué)物質(zhì)遺留等特點(diǎn)。相比較于傳統(tǒng)的漂白粉殺菌技術(shù)更環(huán)保。

3 整體控制方案確定

總體來說，循跡小車是以引導(dǎo)線為運(yùn)動軌跡，采用檢測系統(tǒng)對小車的實(shí)際運(yùn)動路徑進(jìn)行檢測，并將相關(guān)信息傳輸至單片機(jī)中進(jìn)行處理分離，然后傳輸?shù)津?qū)動模塊來執(zhí)行相關(guān)命令，對小車的直流電機(jī)等進(jìn)行控制轉(zhuǎn)向，以確保小車能夠按照設(shè)定的路線行駛，并保證小車的運(yùn)行速度和平穩(wěn)性。無人小車的系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖2 無人小車的系統(tǒng)控制框圖

地鐵無人消毒小車主要由STM32F103ZET6單片機(jī)、TB6600 57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、激光傳感器和電機(jī)等組成，各個功能模塊相互配合組成相應(yīng)的運(yùn)行系統(tǒng)，其功能作用和工作原理和智能循跡小車相似。明顯區(qū)別在于地鐵無人消毒小車的電機(jī)自動配有減速齒輪機(jī)，不涉及調(diào)速的相關(guān)事項(xiàng)。

4 運(yùn)動邏輯及軟件設(shè)計

4.1 小車運(yùn)動邏輯

電機(jī)控制邏輯如下：以電機(jī)A為例，當(dāng)使能端EN A為高電平時，如果輸入引腳IN1為低電平而輸入引腳IN2為高電平，電機(jī)A反轉(zhuǎn)；如果輸入引腳IN1為高電平而輸入，引腳IN2為低電平，電機(jī)A正轉(zhuǎn)。

4.2 軟件設(shè)計

對于地鐵無人消毒小車的軟件功能設(shè)計，一方面是采用激光模塊對小車的運(yùn)動數(shù)據(jù)實(shí)時獲取分析，以判斷小車的運(yùn)行狀態(tài)；另一方面是通過調(diào)整電機(jī)左右輪之間的轉(zhuǎn)速差來控制小車的運(yùn)行姿態(tài)，其轉(zhuǎn)速差主要是依靠PID算法計算得出。

5 結(jié)語

綜上所述，地鐵無人消毒小車是在循跡小車的基礎(chǔ)上設(shè)計應(yīng)用的，具有多方面的性能優(yōu)勢，如電路簡單、操作方便、對使用環(huán)境要求較低等。因此，地鐵無人消毒小車不僅僅適用于地鐵上的消毒工作，而且也可以用于一些大型交通工具的消毒工作。相關(guān)部門在加強(qiáng)無人消毒小車的設(shè)計研究的同時，仍需要進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。

［1］林豪，王新雨，徐玥.基于高性能單片機(jī)的智能物流小車研究與設(shè)計［J］.河南科技，2020（5）：24-28.

［2］溫芮，陳錦鴻，王麗.基于藍(lán)牙控制技術(shù)的智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.汽車零部件，2019（12）：1-4.

2095－6835（2020）20－0152－02

TP242

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.066

馬進(jìn)（1999—），男，重慶人，本科，研究方向?yàn)樽詣踊斯ぶ悄堋?/p>

2019年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“應(yīng)用于地鐵市場的無人消毒小車”（編號：ZX190104302032）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕