張國龍 于群 關(guān)鑫 宋曉明 李倫彬

摘 要：目前我校正快速發(fā)展，學(xué)生人數(shù)每年快速增長，學(xué)校建筑數(shù)量不斷增加，校園的面積不斷地?cái)U(kuò)大。各教學(xué)樓的辦公垃圾、宿舍樓的生活垃圾數(shù)量也快速增長，原來由保潔人員在校園的每個樓宇間回收垃圾，垃圾回收頻率較慢、回收工作量較大。因此，設(shè)計(jì)自行走智能多功能垃圾回收器對于解決校園垃圾回收問題是十分必要的。

關(guān)鍵詞：自行走;垃圾回收器;校園垃圾

引言

自行走智能多功能垃圾回收器可以代替人工回收垃圾，垃圾回收頻率快、避免垃圾異味污染校園環(huán)境，能夠減少垃圾回收人工成本節(jié)約資金，同時提供垃圾分類存儲功能和垃圾儲存容器內(nèi)的滅火功能。為創(chuàng)建一個良好、整潔、文明的校園環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

一、自行走智能多功能垃圾回收器簡介

目前，我校的在校學(xué)生人數(shù)為12000多人，教職工1000多人，學(xué)校共有11棟教學(xué)樓，12棟宿舍樓，11棟辦公、場館、食堂等樓宇。校園的占地面積61.53萬平方米，校舍建筑面積25.17萬平方米。按北方地區(qū)生活垃圾產(chǎn)量按照人均日產(chǎn)量1.2kg計(jì)算，每天校園各樓宇共計(jì)產(chǎn)生約9.6噸垃圾。垃圾數(shù)量較多造成垃圾回收和運(yùn)輸?shù)墓ぷ髁枯^大，需要大量的人力和物力。目前我校垃圾回收工作由保潔公司人員每天清晨進(jìn)行回收處理一次。垃圾存放在樓宇的時間長，帶來的問題較多。宿舍和食堂的生活垃圾長時間不回收，容易產(chǎn)生異味、滋生細(xì)菌、污染校園空氣，也可能產(chǎn)生二次污染。辦公的教學(xué)樓宇垃圾箱內(nèi)，經(jīng)常存放廢棄紙類、塑料類等易燃物品，很可能由于人為意外導(dǎo)致垃圾箱引燃發(fā)生火災(zāi)事故，造成財(cái)產(chǎn)損失和空氣污染。

二、自行走智能多功能垃圾回收器的作用

為解決以上問題，設(shè)計(jì)一種具有自動巡航的自行走智能多功能垃圾回收器是十分必要的。（1）自動巡航功能?；厥掌髟O(shè)計(jì)1小時定時回收垃圾，減少垃圾存放時間。自行走智能多功能垃圾回收器設(shè)計(jì)基于自動巡航定時移動，不需要人工干預(yù)，能夠在樓宇的垃圾回收點(diǎn)之間按線性順序移動。假設(shè)在10個樓宇間活動，需要11臺自行走回收器，1臺位于垃圾回收站。回收器每間隔1小時（45分鐘等待和15分鐘移動）完成向前移動一個站點(diǎn)。最后一個樓宇站點(diǎn)的回收器移動進(jìn)入垃圾回收站，進(jìn)行垃圾容器卸載與清理工作，同時進(jìn)行回收器自行走裝置的檢修維護(hù)工作。垃圾回收的時間間隔減少為1小時，垃圾不容發(fā)生變質(zhì)產(chǎn)生異味，1小時內(nèi)垃圾的產(chǎn)生的總量也相應(yīng)減少，有利于運(yùn)輸和分類工作?；厥掌髟诨厥照镜睦厥涨謇砉ぷ髦恍枰倭壳鍧嵢藛T，同時自行走機(jī)器只需要電力驅(qū)動減少了對環(huán)境污染，有利于實(shí)現(xiàn)綠色校園的目標(biāo)。（2）垃圾分類功能。自行走多功能垃圾回收器裝配有垃圾分類容器，目前設(shè)計(jì)只有可回收和不可回收兩種容器。垃圾投放時按容器顏色（紅、藍(lán)）進(jìn)行區(qū)分，在自行走回收器上設(shè)置LED顯示屏幕，播放關(guān)于垃圾分類的要求和注意問題，提示用戶在投放垃圾時分類處理。自行走回收器的投放口處，印有垃圾分類及投放等圖案及說明。這些措施雖然不能完全保證用戶的垃圾分類的準(zhǔn)確性，但是通過提示還是能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行垃圾分類投放起到一定的引導(dǎo)作用。（3）垃圾滅火功能。垃圾容器有許多易燃廢棄物，有時會因?yàn)闊燁^未熄滅等起火源投入垃圾箱而引發(fā)火災(zāi)，造成財(cái)產(chǎn)的損失和空氣的污染。設(shè)計(jì)多功能垃圾回收器帶有溫度傳感器和煙霧傳感器，當(dāng)垃圾容器內(nèi)的溫度或煙霧濃度超過設(shè)置的閾值時，則啟動噴水頭裝置進(jìn)行一次噴水滅火并響警報(bào)音。熱電阻式溫度傳感器實(shí)時自動檢測，離子式煙霧傳感根據(jù)煙霧濃度范圍判斷是否停止噴水和響警報(bào)音。能夠?qū)萜鲀?nèi)的火災(zāi)啟動實(shí)時監(jiān)測，避免垃圾容器火災(zāi)的引發(fā)。

三、自行走智能多功能垃圾回收器的方案設(shè)計(jì)

自行走智能多功能垃圾回收器包括有自行走裝置、垃圾回收容器裝置、火災(zāi)監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)、太陽能電池裝置設(shè)計(jì)和LED屏幕裝置等主要部件。自行走智能多功能垃圾回收器總體設(shè)計(jì)圖如下所示：

（1）車體框架設(shè)計(jì)

自行走智能多功能垃圾回收器上部為垃圾回收容器和LED顯示屏部分，下部為自行走裝置部分，后部及頂部為蓄電池和光伏太陽能板部分?；厥掌骶哂凶灾鞴潭肪€巡航能力，行走時需要車身保持穩(wěn)定。垃圾容器的重心位于底盤偏前部分，跟尾部電池調(diào)整好適當(dāng)位置，無論容器是否空載都能保持車身穩(wěn)定性。

（2）自行走裝置設(shè)計(jì)

自行走裝置包含STM32F103ZET6芯片的FS-MP1A開發(fā)板、紅外探測模塊（IRM）、超聲波探測模塊、底盤電機(jī)驅(qū)動模塊等部分。主控模塊：采用搭載性能高、低功耗的STM32MP157芯片的FS-MP1A開發(fā)板，芯片集成度高搭配多種傳感器模塊，包含有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器、加速計(jì)、電子羅盤模塊等，方便各種編程語言進(jìn)行編程控制。底盤電機(jī)驅(qū)動模塊：前輪采用兩個直流減速電機(jī)來實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向控制，采用直流電機(jī)驅(qū)動后輪實(shí)現(xiàn)前后移動，速度控制通過FS-MP1A發(fā)出的PWM調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。紅外線探測模塊：選用TCRT5000紅外傳感器，紅外探測器發(fā)出LED紅外光線，傳感器負(fù)責(zé)接收反射紅外線光的變化從而判定行走路線。超聲波探測模塊：測距模塊設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波傳感器，可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)高到3mm。超聲波探測模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。自行走裝置測距以及轉(zhuǎn)向，可以及時發(fā)現(xiàn)前方的障礙物，使自行走裝置可以及時轉(zhuǎn)向，避開障礙物。

（3）垃圾回收容器設(shè)計(jì)

垃圾回收容器設(shè)計(jì)分為兩箱，紅箱存儲不可回收垃圾，藍(lán)箱存儲可回收垃圾?；厥障錇殄F形設(shè)計(jì)，可以保持自行走回收器車體的穩(wěn)定性。箱體采用鋼板材質(zhì)，防火耐高溫防腐蝕。箱體下方設(shè)計(jì)有滑道及阻尼裝置，能夠方便裝卸和傾倒垃圾工作。

（4）滅火裝置設(shè)計(jì)

滅火裝置設(shè)計(jì)為梯形箱體，上端配有6個噴頭，下方有環(huán)形注水孔。箱體內(nèi)部中空，存儲滅火所需用水。基于STM32的煙霧溫度報(bào)警器，設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器和MQ-2煙霧傳感器，主從機(jī)模式可設(shè)置，從機(jī)監(jiān)測，主機(jī)報(bào)警。繼電器接FS-MP1A的PA11端口，當(dāng)煙霧傳感器的返回值比設(shè)置的閾值大時，使單片機(jī)給引腳為低電平，從而實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警，繼電器打開，使得抽水機(jī)的12V的線和12V的供電導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)噴水滅火，當(dāng)傳感器當(dāng)前值下降到比閾值低時，給單片機(jī)高電平，從而停止報(bào)警和噴水工作。

（5）光伏太陽能板與蓄電池裝置設(shè)計(jì)

自行走智能多功能垃圾回收器的電力供應(yīng)，采用光伏太陽能板轉(zhuǎn)蓄電池設(shè)計(jì)。光伏太陽能板的工作原理是白天太陽光照射光伏太陽能電池板，進(jìn)行光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過充放電控制器將電流儲藏在太陽能蓄電池中。蓄電池提供自行走設(shè)備工作所需電力，放電時間達(dá)到控制器設(shè)定值后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。

四、自行走裝置自動引導(dǎo)設(shè)計(jì)

自行走智能多功能垃圾回收器的重要裝置是自動導(dǎo)引車（Automated Guided Vehicle，簡稱AGV），自動導(dǎo)引車是指裝備有電磁或光學(xué)等自動導(dǎo)航裝置，能夠沿預(yù)定的路徑自動行駛，具有安全避障的移動載具。引導(dǎo)方式是AGV的重點(diǎn)研究內(nèi)容，引導(dǎo)方式主要包括電磁引導(dǎo)、磁帶引導(dǎo)、光學(xué)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)、視覺引導(dǎo)、輪廓引導(dǎo)等。磁帶引導(dǎo)需要在路面鋪設(shè)磁帶，容易受污染或干擾、可靠性差。光學(xué)引導(dǎo)方式，地面上需鋪反光涂料，容易磨損精度不高、可靠性差。激光引導(dǎo)凡是，需要在車體上安裝激光發(fā)射裝置和激光接收裝置，在引導(dǎo)路徑周圍布置反射裝置。激光引導(dǎo)精度較高但成本也較高，不太適合校園使用。

考慮到本項(xiàng)目主要應(yīng)用在戶外校園道路場景中，引導(dǎo)路線上受人員干擾較多，地面的溫度、濕度、光線變化較大，地面還可能受到積水積雪因素影響，運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜。因此，垃圾回收器的自行走裝置引導(dǎo)方式以電磁引導(dǎo)、視覺引導(dǎo)等技術(shù)較為適合。

1.電磁引導(dǎo)（Electronic-Magnetic Guided）

電磁引導(dǎo)方式在運(yùn)行路徑下埋設(shè)金屬導(dǎo)線，導(dǎo)線上附加上固定的交流電信號，導(dǎo)線會產(chǎn)生磁場。通過AGV車體上的電磁感應(yīng)器進(jìn)行識別，將磁場信號傳遞給AGV控制器，控制系統(tǒng)通過電磁感應(yīng)線圈檢測金屬導(dǎo)線上產(chǎn)生電磁信號的強(qiáng)弱，來判斷車體當(dāng)前位姿，并執(zhí)行相應(yīng)的動作，實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引。該引導(dǎo)方式工作較穩(wěn)定，鋪設(shè)成本較低，只有在需要對導(dǎo)航路線進(jìn)行修改時，需要較大的工作量和成本。對于地面引導(dǎo)線保護(hù)較好，傳感器埋入底線不會因污染而失效，能夠滿足固定路線的引導(dǎo)作業(yè)。自行走智能多功能垃圾回收器在校園的固定路線自動巡航，電磁引導(dǎo)技術(shù)成熟，工作較為穩(wěn)定，信號干擾較少，非常適合實(shí)施。

2.視覺引導(dǎo)

視覺引導(dǎo)是通過CCD高清攝像頭捕捉采集行駛中的道路圖像，通過光電轉(zhuǎn)換為電信號傳送至AGV圖像處理器中，根據(jù)識別算法識別圖像中的路徑引導(dǎo)線。同時調(diào)用控制模塊根據(jù)計(jì)算得出的中心線參數(shù)，自動判斷車體軸心坐標(biāo)與引導(dǎo)線中心坐標(biāo)的偏差值，控制小車姿態(tài)調(diào)整。視覺引導(dǎo)的圖像識別精度較高，設(shè)備成本較低，路徑的變更為靈活。其主要不足是圖像識別算法的復(fù)雜度和效率直接影響了引導(dǎo)的效率，在引導(dǎo)路徑中如果有較大的圖像干擾或者光線較弱環(huán)境時，其圖像識別增加較多噪音，其引導(dǎo)的精度和效率會變低，所以目前在工業(yè)中很少有大規(guī)模的應(yīng)用。視覺引導(dǎo)技術(shù)目前還不夠成熟，目前仍然在不斷地發(fā)展和完善中，不是適合在本項(xiàng)目中應(yīng)用。

結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的自行走智能多功能垃圾回收器，是對目前校園內(nèi)垃圾回收問題的一種設(shè)計(jì)方案。自行走裝置能夠在各樓宇垃圾點(diǎn)間線性移動，每到一定間隔時間就會到達(dá)垃圾回收站，進(jìn)行垃圾卸載和清理工作?；灸軌蚪鉀Q垃圾長時間存放帶來的問題。設(shè)計(jì)的滅火裝置能夠監(jiān)測垃圾容器內(nèi)的煙霧和溫度，解決垃圾容易被引燃造成的火災(zāi)。設(shè)計(jì)的光伏太陽能蓄電器裝置，能夠有效利用太陽能給自行走智能多功能垃圾回收器供電。自行走智能多功能垃圾回收器重要的部件是AGV裝置，分析并比較了不同AGV引導(dǎo)技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)項(xiàng)目的性質(zhì)設(shè)計(jì)采用電磁引導(dǎo)技術(shù)最為適合。設(shè)計(jì)的很多的功能方案都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過驗(yàn)證不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，盡早讓自行走智能多功能垃圾回收器的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，真正發(fā)揮作用。

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作者簡介：

張國龍（1998-），男，黑河學(xué)院學(xué)生，2018級計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目《自行走智能多功能垃圾回收器》成果。項(xiàng)目編號：201913744002