校园小型无人驾驶清扫技术研究

●史立秋 程 亮 江 霖 王少俊

无人驾驶在乘用和物流货运领域面临的是开放式环境，要应对很多极端环境，需要积累大量经验。而无人驾驶在环卫领域的应用场景更多是封闭式环境，不需要积累那么多数据和测试，能够有效替换繁琐、辛苦的环卫工作，降低环卫工作者工作强度，提高清扫效率，还可以解决高温、雾霾、凌晨加班、影响交通等危险性条件的困扰，守护城市洁净与美丽，具有商业和社会双重价值①②③。

城市环卫清扫市场规模巨大，据粗略估算，全国道路清扫的费用已经接近万亿量级，而环卫公司60%以上是人力成本。无人驾驶清扫车每小时能行驶4 公里，清扫宽度在2～3 米之间，一辆车干的活相当于10～20 人的工作量，国外由于人力成本高和保洁标准的不同，市场规模更大④⑤⑥。

作为未来汽车的发展方向，无人驾驶技术备受社会各界的关注。自动驾驶汽车的技术主要依托于人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统的协同合作来实现，保证在没有人类主动操作的前提下，电脑能独立的控制车辆安全行驶⑦。

目前，已有部分企业的无人驾驶清扫车投向市场应用，清扫的基本功能都已实现，但在清扫装置上均尚未做出创新突破。在保证车辆低速平稳行驶前提下，添加了清扫垃圾处理装置，对垃圾存放进行调整，大大地提升了清扫效率⑧⑨⑩。

一、无人驾驶清扫车国内外研究现状

相比较而言，国内低速自动驾驶公司更多的是投入到低速载货上，而国外低速自动驾驶公司更多精力放在载人上。从整个环卫行业分析，现状环卫作业主要是依靠人力劳动，且环卫行业普遍存在作业强度过高、作业环境恶劣、行业待遇偏低等等，所以国内环卫作业主要是农村大龄劳动力④。

2017 年9 月11 日，百度携手智行者推出国内首款无人驾驶环卫车，实现我国无人驾驶环卫车的首次商用。

2018 年4 月24 日，酷哇携手中联环境发布全球首台具备全路况清扫、智能路径规划的无人驾驶扫地车，该扫地车将于年内在芜湖、合肥、长沙、上海等四所城市“落地”。

2018 年9 月，北京环卫集团推出7 款纯电动无人驾驶环卫车投入试运营.

2018 年11 月，智行者和首钢合作的无人驾驶清洁车“蜗小白”已正式投入量产，为园区提供机器人清扫配送服务。

2018 年12 月，宇通下线纯电动无人驾驶扫路机投入运营。

2019 年7 月2 日，高仙机器人与浩睿智能联合研发生产的第二代无人驾驶环卫车Ecodrive (爱科驾) SweeperG2 投入使用，首台落地应用已于河南省鹤壁5G 产业园亮相。

“蜗小白”配备自主研发的高精度定位传感器以及多个探测传感器，集激光雷达、摄像头、超声波雷达等传感器于一体，实现了自主作业④。清扫车脱离人工操作，自主在路面上完成清扫、洒水、垃圾收集等工作。“蜗小白”的出现极大地提高了清洁效率、降低了人工成本，同时让清洁更智能。在外观设计上，“蜗小白”去除了驾驶仓，以小巧可爱的形象强势登陆市场，其轻巧的身躯能够让它服务于室内、室外等多元化的应用场景。

图1 涡小白实物

来自仙途智能的一辆自动驾驶清扫车在德国威廉港内进行试运营，整车重1.2 吨、宽1.5，可实现自动苏醒、贴边清扫、自动避让和自动泊车归位等功能。仙途智能的核心技术360 度感知无人驾驶清洁车系统，通过360 度环绕摄像头，清扫车可以对物体的分类进行准确识别；云端数据处理平台，实现了车辆调度分配监控远程控制；仿真引擎自动学习，在虚拟环境中实现日行千里，让智能车可以自动完成启动、清扫、避让障碍物、识别红绿灯、倾倒垃圾、停车等规律的动作。除了充电和加水，清扫车不受时间的限制，有效地将道路清扫保洁从低效率、高风险中解放出来，还可以减少扰民现象的发生。

图2 仙途智能

从功能上看，目前的无人驾驶环卫技术已经相当完善，基本已满足了环卫任务的标准要求，但还并未出现清扫设备处理上的再升级。

二、无人驾驶清扫车技术指标

校园小型无人驾驶环保清扫车具有清洁效率高、节约成本、有利于后期对垃圾进行处理、便于检修的优点，设计标准严格遵照安全性、稳定性、功能实效性等多各原则。对该无人驾驶清扫车提出以下几个方面的主要技术指标要求：（1） 额定功率：1000W；（2）工作电压：24V；（3）电池类型：三元锂电池；（4）清扫宽度：1m；（5）垃圾箱容量：125L；（6）设备占地面积：≤4.5m2；（7）设计寿命：≥3 年（8）最大行驶速度：5Km/h；（9）车轮：四个麦克纳姆轮。

三、无人驾驶清扫车总体设计方案

校园小型无人驾驶清扫车的总体设计方案如图3 所示。

图3 总体方案设计路线图

（一）传感器系统

应用在无人车上的传感器设备主要由以下几类组成：

1.激光雷达。激光雷达的精度非常高，白天晚上都能正常工作，但是下雨下雪的话，会对它造成干扰。虽然说它擅长远距离的侦测，但是近距离反倒不行，另外就是价格比较贵。

2.电磁波雷达。各种天气情况都能用，而且在侦测物体的速度上特别有效。唯有一点，它的精度不如激光雷达那么高，但价格很便宜。

3.超声波探测器：它的最大优势就是，能够准确地感知离自己近的物体，可以补足激光雷达远视的盲区。而且体积小，价格也并不贵。

4.被动式视觉传感：比较依赖光线，可以识别颜色。它可以看到红绿灯和交通标识。

结合本设计无人驾驶清扫车，根据功能性要求，这里需要考虑的是如何测定车辆前方是否有障碍物或者行人，以及障碍物距离我们的车体到底还有多远。

（二）动力系统选配

电源采用蓄电池，电能驱动更为适应校园场景，节能环保且充电方便。蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶⑥。

纯电动汽车可充电电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等，这些电池可以提供纯电动汽车动力。同时，纯电动汽车也通过电池来储存电能，驱动电机运转，让车辆正常行驶。从安全性、功用性角度考虑，这里我们选用常规电池组，大约96 个4.2V 的锂离子电池串联。两个直流电机清扫机组，两个所述直流电机清扫机组均设置在所述车体的底部，将电源的电能转化成机械能来驱动车体以及清扫机构。

（三）整车架构

整车的架构这里主要分为两个部分，包括车身以及底板。

车身主要是需要考虑到各传感器的位置安放，以及车辆的外观结构。本文作者在车身顶部设置了激光雷达的安装定位盒，在车身四周中心位置安放了红外传感器以及距离传感器的定位盒。车体底板主要是起到承载车体内部各机构件的作用，在底板上面分别对无人驾驶清扫车的垃圾处理的吸尘器、搅碎机、压缩箱、收集盒等部件进行位置合理划分，即将吸尘器以及清扫机对称分布在车身中间靠前位置，吸尘器的疏导通道导进中间的粉碎箱中，粉碎箱安放在吸尘器中间；压缩箱位于粉碎箱后方；最后尾部是垃圾收集盒，通过导轨可从车体尾部拉出。

（四）清扫系统

清扫系统是本文的核心设计点，这里主要是将清扫系统大致划分了扫地机、吸尘器、搅碎机、压缩箱、垃圾收集盒几部分。在车辆正常行驶的过程中，通过底部的扫地机将垃圾进行收集，由吸尘器通过管道将垃圾吸入车体，输送到垃圾粉碎机中进行粉碎环节，粉碎后的垃圾再导入压缩箱里通过液压传动压件压缩，减小垃圾的体积，最后送至垃圾收集盒中，垃圾收集盒位于车体末端，方便无人驾驶清扫车完成任务后进行垃圾处理。

四、结束语

设计一种针对校园这一特定环境的无人驾驶清扫车结构设计，根据其功能要求，主要把结构的研究内容划分为传感器系统的选配、动力系统的选配、车身系统的结构设计，以及清扫系统具备的机构等四部分内容来分析，核心思想就是将无人驾驶和清扫相结合。本文核心设计关键点主要体现在清扫系统，其中清扫系统主要包含了垃圾清扫机、吸尘器、垃圾粉碎箱、垃圾收集盒。核心设计亮点是具备垃圾处理功能，可将收集的垃圾进行粉碎及压缩处理，大大提升了垃圾的收容运输效率。

注释：

①高晓红.小型道路清扫车的研究与设计[J].工业仪表与自动化装置，2019(05)：110- 113

②同济大学. 一种带有自动驾驶系统的多模式智能电动清扫车：CN201920249583.X[P].2019- 11- 01

③梁臣.多功能路面清扫车的结构原理与维护[J].智能城市，2019，5(04)：114- 115

④李靖.无人驾驶清扫开启智慧环卫新时代[J].上海信息化，2019(06)：53- 55

⑤朱忠攀，吴宪，李刚，施超.低速无人清扫车远程监控系统架构及控制模型[J].机电一体化，2017，23(12)：46- 50

⑥冯玉松，张丛丛.新能源清扫车电机驱动系统的设计[J].汽车实用技术，2018(23)：3- 5

⑦闵海涛，张明智，于远彬，阎备战.道路清扫车上装作业机构智能化控制发展趋势[J].专用汽车，2019(08)：64- 68

⑧鄂尔多斯市普渡科技有限公司.一种无人驾驶多功能道路清扫车：CN201811188570.2[P]. 2019- 01- 18

⑨李效义.压缩式垃圾车翻桶机构的几种型式及其设计要点分析[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