CN111979960A - 一种无人扫路车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人扫路车，该无人扫路车包括电源模块、驱动模块、清扫模块、遥控模块、线控转向模块。通过核心控制器，结合电源模块、遥控模块、驱动模块以及线控转向模块，保证车辆的快速稳定行驶。设计PID控制器，提高小型无人扫路车车速响应速度和精度。再由线控转向模块结合滑模控制算法，提高小型无人扫路车转角信号的响应速度和精度，达到安全平稳的自主清扫的功能。设计遥控模块，在扫路车出现故障时便于挪动；设计升降板控制盘刷的高低，降低盘刷损耗。以此来提高垃圾清扫的效率，降低可能存在的磨损，以及提高无人扫路车在行驶过程中的平稳性和安全性，降低环卫工作者的负担。

Description

一种无人扫路车

技术领域

本发明属于环卫领域，特别涉及一种无人扫路车。

背景技术

小型无人扫路车是针对路面垃圾清扫的专用车辆。广泛适用于城市街道，市政广场以及机场道面、城市住宅区、公园等道路清扫作业。现有的无人扫路车大部分都需要环卫工作者去驾驶或者控制，无法实现自动化智能化作业，造成了人力和财力的浪费。现有的无人扫路车可以实现远程控制汽车的启停，属于大型车辆，用多个传感器，实现无人清扫车对四周障碍进行感应，帮助清扫车安全规避行人、行车和各种障碍物。

现有的扫路车大部分都需要环卫工作者去驾驶或者控制，无法实现自动化智能化作业，造成了人力和财力的浪费。现有的无人扫路车盘刷磨损严重；扫路车在工作过程中出现故障则只能手动将其带回修理厂；现有的无人扫路车结构复杂，成本高，对于园区、城市住宅区、公园道路清扫等场所的公园等道路清扫并不适用。最关键的是现有的无人扫路车存在安全性和平稳性等问题存在车速、拐弯角度不可控或者控制困难、调节时间长等问题，尤其突出的是无人扫路车在拐弯过程中容易出现侧翻，或者拐弯角度不可控而偏移路线，影响到其他车辆的行驶。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人扫路车，其通过采用PID控制器控制行驶速度，并通过滑模控制算法控制转角，解决了现有技术中扫路车的安全性和平稳性存在的问题。

本发明的技术方案是，一种无人扫路车，包括车架、前轮以及后轮；所述无人扫路车还包括：

核心控制器；

驱动模块，包括设置在车架上的驱动电机以及后轮轴；所述后轮轴沿水平方向设置，所述后轮固定安装在其两端；所述驱动电机与所述后轮轴通过链条传动连接；所述后轮轴上安装有检测转速的光电编码器；所述光电编码器与所述核心控制器连接，所述核心控制器根据转速测量值控制所述驱动电机；

转向模块，包括转向电机、转向拨杆、转向推板以及两个转向弯轴；所述转向电机设置在车架上，其转向轴朝向无人扫路车的前方设置；所述转向拨杆的后端与所述转向电机的通过联轴器连接；所述转向推板沿横向设置，其中部开设有条形的导向孔，所述导向孔沿所述转向电机的转向轴的方向设置；所述转向拨杆的前端向下弯折，并插设在所述导向孔中；两个所述转向弯轴的外端与所述前轮转向连接，其内端向上弯折，并与所述车架转动连接；所述转向弯轴的竖直段固定连接有向前延伸的传动杆，所述传动杆的前端与所述转向推板的侧边转动连接；所述转向弯轴的内端与车架之间设置有角位移传感器，所述角位移传感器与所述核心控制器连接；

清扫模块，包括设置在所述车架前端的升降组件以及分别设置在所述升降组件两端的两个盘刷电机，所述盘刷电机的转向轴向下设置，其底端安装有盘刷；所述清扫模块还包括沿横向设置的滚刷以及滚刷电机；所述滚刷驱动电机通过链轮传动机构驱动所述滚刷转动，使得其将路面的垃圾扫入其后方的垃圾桶中；所述盘刷电机、所述升降组件以及所述滚刷电机均与所述核心控制器控制连接；

遥控模块，与所述核心控制器连接，用于接收指令并转发至所述核心控制器中。

本发明的进一步改进在于，所述核心控制模块通过H桥模块驱动所述驱动电机、所述转向电机、所述盘刷电机以及所述滚刷电机。

本发明的进一步改进在于，所述核心控制器通过PID控制模块控制所述驱动电机的转速，从而控制所述无人扫路车的行驶速度；所述核心控制器通过基于饱和函数的滑模控制器控制模块控制所述转向电机的转速，从而控制所述无人扫路车的拐角。

本发明的进一步改进在于，所述升降组件包括升降电机、齿轮盒、齿条、顶板以及两个固定板；相互啮合的齿轮和所述齿条设置在所述齿轮盒中；所述齿轮 29与所述升降电机的转轴连接，以驱动所述齿条沿竖直方向能运动；所述齿条的顶端与所述顶板固定连接；所述顶板沿水平方向设置，两个所述固定板沿竖直方向设置在所述顶板的两侧；所述顶板供所述盘刷电机固定连接。

本发明的有益效果为：结构简单，控制方便，它通过调节盘刷的高度减少了盘刷的磨损，利用线控转向模块设计滑模控制器提高车辆的安全性；设计PID控制器对无人扫路车车速进行控制，缩短响应时间，提高响应精度。重新设计扫路车的车身结构，保证车辆在运行过程中平稳，车辆发生故障后，能够用遥控模块继续控制扫路车行驶，不需要人为拖拽。对于城市的环境保护，降低环卫工人工作量都具有非常重大的意义。

附图说明

图1是无人扫路车的立体视图；

图2是无人扫路车的另一立体视图；

图3是无人扫路车的俯视视图；

图4为清扫模块的示意图；

图5为齿轮盒的结构示意图；

图6为转向模块的结构示意图；

图7为线控转向过程图；

图8为车速控制流程图。

具体实施方式

如图1至8所示，本发明的实施例提供一种无人扫路车。接下来分扫路车车身结构部分与转向部分对发明进行进一步说明。

车身结构部分包括电源模块、遥控模块、清扫模块、驱动模块以及转向模块。

如图1至3所示，驱动模块包括设置在车架上的驱动电机24以及后轮轴25。驱动电机24安装在扫路车的后侧，它的输出轴上装有链轮26，后轮轴25上同样装有链轮，通过链条在驱动电机24工作时通过链轮传动机构带动后轮轴25转动，从而驱动安装在后轮轴25两端的后轮(14)转动，无人扫路车开始向前行驶。锂电池15为驱动电机24以及核心控制器27的工作提供电源。核心控制器发出控制指令，控制电机的转速，光电编码器23装在扫路车的后轮轴上，实时的对扫路车的轮胎转速进行测量，并将所测得的转速实时传送给核心控制器27，使车速可控；

如图3至5所示，清扫模块包括设置在所述车架4前端的升降组件以及分别设置在升降组件两端的两个盘刷电机2。盘刷电机2的转向轴向下设置，其底端安装有盘刷1；升降组件包括升降电机20、齿轮盒18、齿条30、顶板17以及两个固定板21；相互啮合的齿轮和所述齿条30设置在所述齿轮盒18中；所述齿轮29与所述升降电机20的转轴连接，以驱动所述齿条30沿竖直方向能运动；所述齿条30的顶端与所述顶板17固定连接；所述顶板17沿水平方向设置，两个所述固定板21沿竖直方向设置在所述顶板17的两侧；所述顶板17供所述盘刷电机固定连接。

升降电机20工作时，齿条30做升降运动，此时固定在齿条30上的17顶板也会做升降运动，盘刷也随之做升降运动。在扫路车工作时，将盘刷1降低，使盘刷1与路面充分接触，盘刷电机2启动，开始清扫工作；扫路车返航不工作时则升高盘刷1，减少盘刷1的磨损。

此外，清扫模块还包括沿横向设置的滚刷8以及滚刷电机9；所述滚刷驱动电机24通过链轮传动机构驱动所述滚刷转动，使得其将路面的垃圾扫入其后方的垃圾桶11中。垃圾桶11设置有向前的开口。盘刷电机2、升降组件的升降电机20以及滚刷电机9均与所述核心控制器27控制连接。滚刷8的速度要大于无人扫路车的运行速度，这样能够获得更好的清扫效果。清扫模块中滚刷8与盘刷1均有单独的电机进行驱动，可以单独控制。

如图1、3、6所示，转向模块包括转向电机22、转向拨杆5、转向推板36 以及两个转向弯轴(35)；所述转向电机22设置在车架4上，其转向轴朝向无人扫路车的前方设置；所述转向拨杆5的后端与所述转向电机的转向轴通过联轴器 6连接。转向推板36沿横向设置，其中部开设有条形的导向孔，所述导向孔沿所述转向电机22的转向轴的方向设置；所述转向拨杆5的前端向下弯折，并插设在所述导向孔中；两个所述转向弯轴(35)的外端与所述前轮16转向连接，其内端向上弯折，并与所述车架4转动连接；所述转向弯轴(35)的竖直段固定连接有向前延伸的传动杆，所述传动杆的前端与所述转向推板36的侧边转动连接；所述转向弯轴(35)的内端与车架4之间设置有角位移传感器31，所述角位移传感器31与所述核心控制器27连接；

无人扫路车行驶过程中，转向电机22在核心控制器27的控制下转动预定角度，使得转向拨杆5拨动转向推板36横向移动，从而带动两个转向弯轴(35)沿着其竖直段转动，最终带动前轮16转动。

扫路车在行驶过程中在核心控制器27发出转角指令后，转向电机22开始工作，驱动前轮16产生相对应的角度，从而达到无人扫路车转向的目的。角位移传感器31检测扫路车轮胎的实际拐弯角度，并将角度传送给核心控制器27，实现扫路车的转向控制。

遥控模块，包括遥控接收器，配套的有遥控器发射端，在车辆出现故障后，管理员可以通用遥控器控制扫路车的驱动电机运行，实现前进、后退与转弯，方便把扫路车转移到修理厂。遥控接收器与核心控制器27连接，用于接收指令并转发至所述核心控制器中。

硬件设计：

电机控制器：选用H桥模块作为电机控制器，支持7～24V电压，具有欠压保护，电源瞬态干扰抑制。控制器有双路控制接口，可以同时控制两台电机，通过外接PWM信号实现电机的正反转以及调速。核心控制模块通过H桥模块驱动所述驱动电机24、所述转向电机22、所述盘刷电机2以及所述滚刷电机9。

核心控制器27通过PID控制模块控制所述驱动电机24的转速，从而控制所述无人扫路车的行驶速度；所述核心控制器27通过基于饱和函数的滑模控制器控制模块控制所述转向电机22的转速，从而控制所述无人扫路车的拐角。

车速控制：采用PID控制器实现车速的信号跟踪。PID控制技术是最早发展起来的控制策略之一，由于其结构简单、稳定性高、鲁棒性好、调整方便及可靠性高等特点而成为工业控制的主要技术之一。PID控制就是将偏差的比例、积分、微分通过线形组合构成控制量，用这一控制量控制被控对象。通过调整比例、积分和微分三项的参数，使得大多数的工业控制***获得良好的闭环控制性能。尤其适合可建立精确数学模型的确定性控制***。车速控制模块的流程图如图8所示，扫路车在接收到转速信号后，经过核心控制器27控制驱动电机24工作，驱动电机24通过链轮26和链条带动扫路车的后轮转动，用光电编码器采集当前扫路车的车速，并传送给核心控制器。控制器将期望转速与实际车速的差值作为 PID控制器的输入，经过比例、积分、微分控制快速的将实际车速跟随上期望车速，并维持在期望车速。提高无人扫路车的快速响应能力。给定车速为20km/h，分别对有PID控制器和无控制器两种工作状态进行仿真，仿真结果可以看出，带有PID控制器的***能够有更好的响应，扫路车的快速性和平稳性也更好。

转向模块：扫路车在行驶过程中由于行驶工况复杂，车辆参数时变，状态动态变化，这对车辆稳定性控制的自适应性和鲁棒性提出了较高甚至极限需求。图 7所示为线控转向模块流程图，核心控制器在接收到转角信号后控制转向电机运转，从而带动扫路车前轮转动，用角位移传感器31检测当前前轮的转角并反馈给控制器。为了提高车辆的稳定性，对扫路车运行的侧向加速度以及横摆角速度进行检测，将理想横摆角速度与实际横摆角速度的偏差作为控制器的输入，得到转角补偿，提高车辆行驶过程中的平稳性。线控转向模块的控制器选用滑模控制。滑模变结构控制是变结构控制***的一种控制策略。这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使***“结构”随时间变化的开关特性。设计滑模控制器，使车轮转角能更好的跟踪期望转角。针对滑模控制存在的振荡问题，再控制过程中使用饱和函数，减小震荡，保持车辆的稳定。

本实施例的无人扫路车用单电机控制车辆的行驶，使用单电机通过线控转向模块控制车辆转向，结构简单易于布置，成本低。

本实施例的无人扫路车采用了PID控制器，对小型无人扫路车的车速进行控制，提高了扫路车在工作过程中的快速性和平稳性，使车速能更好的跟随目标车速。

本实施例的无人扫路车采用了基于饱和函数的滑模控制器，对小型无人扫路车的转角信号进行控制，提高了扫路车在工作过程中的快速性和平稳性，使车速能更好的跟随目标车速。

本实施例的无人扫路车可以升降、两个盘刷固定在顶板上，通过齿轮调节顶板高度，达到调节盘刷高度的目的。工作时盘刷放低，与路面接触；不工作时，盘刷抬高，不与路面接触，减少磨损。

本实施例的无人扫路车有自动行驶以及遥控控制两种模式，正常情况扫路车无人完成清扫工作，在发生故障时则通过遥控控制扫路车返回，在扫路车出现故障时便于挪动。自动驾驶过程中，其可以按照预定的路线进行清扫并返回。

本实施例的无人扫路车使用锂电池给电机以及各控制器供电。针对现有的无人扫路车存在的机械结构不合理、稳定性、安全性能不够等情况，重新设计扫路车的车架结构。

本实施例的无人扫路车的驱动模块包含了24驱动电机以及26链轮等传动装置，用27核心控制器通过PWM控制对24驱动电机调速，由单片机提供扫路车期望的速度信息，扫路车行驶速度控制在10m/min到30m/min范围内，在扫路车 14后轮装有23光电编码器，将实时的转速信息返回给控制器，通过PID调节实现转速闭环控制，保证扫路车的安全行驶。

本实施例的无人扫路车遥控模块包括信号发射器、信号接收器28以及处理器，使用27MHZz无线电，可以在20米内实现遥控操作，主要指令包括：前进、后退、左右转向。在扫路车出现故障停止工作时，工作人员可以用遥控模块将扫路车运走。

本实施例的无人扫路车针对无人扫路车存在的盘刷1磨损严重的情况，设计升降机构，只在工作过程中将盘刷1下降，使盘刷1与路面接触，在不工作时，升降机构上升，使盘刷离开路面，减少盘刷1的磨损，同时也提高扫路车的使用寿命。

本实施例的无人扫路车针对扫路车运行中存在的干扰多、转向精度不足、扫路车运行不稳定的情况，设计的扫路车采用前轮转向，后轮驱动的控制方法，无人扫路车取消原有转向部分的机械连接部分，采用线控的方法。在核心控制器27 接收到上位机发送的运行指令后，核心控制器27将转速信息发送给驱动电机24，控制扫路车运动，将对应的转角信息发送给转向电机，转向电机采用步进电机，由转向电机控制前轮转向，通过角度传感器31检测前轮的实际转角，设计滑模控制器修正前轮实际转角，实现闭环控制，使前轮转角快速稳定的到达期望值，且滑模控制器对外界干扰不敏感，以此保证扫路车运行的稳定性，实现线控转向。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无人扫路车，包括车架(4)、前轮(16)以及后轮(14)；其特征在于，所述无人扫路车包括：

核心控制器(27)；

驱动模块，包括设置在车架(4)上的驱动电机(24)以及后轮轴(25)；所述后轮轴(25)沿水平方向设置，所述后轮(14)固定安装在其两端；所述驱动电机(24)与所述后轮轴(25)通过链条传动连接；所述后轮轴(25)上安装有检测转速的光电编码器(23)；所述光电编码器(23)与所述核心控制器(27)连接，所述核心控制器(27)根据转速测量值控制所述驱动电机(24)；

转向模块，包括转向电机(22)、转向拨杆(5)、转向推板(36)以及两个转向弯轴(35)；所述转向电机(22)设置在车架(4)上，其转向轴朝向无人扫路车的前方设置；所述转向拨杆(5)的后端与所述转向电机的通过联轴器(6)连接；所述转向推板(36)沿横向设置，其中部开设有条形的导向孔，所述导向孔沿所述转向电机(22)的转向轴的方向设置；所述转向拨杆(5)的前端向下弯折，并插设在所述导向孔中；两个所述转向弯轴(35)的外端与所述前轮(16)转向连接，其内端向上弯折，并与所述车架(4)转动连接；所述转向弯轴(35)的竖直段固定连接有向前延伸的传动杆，所述传动杆的前端与所述转向推板(36)的侧边转动连接；所述转向弯轴(35)的内端与车架(4)之间设置有角位移传感器(31)，所述角位移传感器(31)与所述核心控制器(27)连接；

清扫模块，包括设置在所述车架(4)前端的升降组件以及分别设置在所述升降组件两端的两个盘刷电机(2)，所述盘刷电机(2)的转向轴向下设置，其底端安装有盘刷(1)；所述清扫模块还包括沿横向设置的滚刷(8)以及滚刷电机(9)；所述滚刷驱动电机(24)通过链轮传动机构驱动所述滚刷转动，使得其将路面的垃圾扫入其后方的垃圾桶(11)中；所述盘刷电机(2)、所述升降组件以及所述滚刷电机(9)均与所述核心控制器(27)控制连接；

遥控模块，与所述核心控制器(27)连接，用于接收指令并转发至所述核心控制器中。

2.根据权利要求1所述的一种无人扫路车，其特征在于，所述核心控制模块通过H桥模块驱动所述驱动电机(24)、所述转向电机(22)、所述盘刷电机(2)以及所述滚刷电机(9)。

3.根据权利要求2所述的一种无人扫路车，其特征在于，所述核心控制器(27)通过PID控制模块控制所述驱动电机(24)的转速，从而控制所述无人扫路车的行驶速度；所述核心控制器(27)通过基于饱和函数的滑模控制器控制模块控制所述转向电机(22)的转速，从而控制所述无人扫路车的拐角。

4.根据权利要求1所述的一种无人扫路车，其特征在于，所述升降组件包括升降电机(20)、齿轮盒(18)、齿条(30)、顶板(17)以及两个固定板(21)；相互啮合的齿轮和所述齿条(30)设置在所述齿轮盒(18)中；所述齿轮29与所述升降电机(20)的转轴连接，以驱动所述齿条(30)沿竖直方向能运动；所述齿条(30)的顶端与所述顶板(17)固定连接；所述顶板(17)沿水平方向设置，两个所述固定板(21)沿竖直方向设置在所述顶板(17)的两侧；所述顶板(17)供所述盘刷电机固定连接。

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