应用于地铁市场的无人消毒小车设计研究＊

马进，方远，罗军，刘骐鸣，马炯罡

应用于地铁市场的无人消毒小车设计研究＊

马进，方远，罗军，刘骐鸣，马炯罡

（杭州电子科技大学自动化（人工智能）学院，浙江 杭州 310000）

应用于地铁市场的无人消毒小车是以智能循迹小车为基本设计原型，然后借助激光检测模块及紫外灯进行相应的检测和消毒工作。无人消毒小车的应用可较好地满足地铁消毒工作的实际需求，对无人消毒小车的设计研究工作进行了简要阐述与分析，希望能够推动无人消毒小车在地铁等行业领域的应用及推广。

无人消毒小车；智能循迹小车分类；整体设计；软件设计

应用于地铁市场的无人消毒小车是通过自动循迹功能实现在地铁车厢及过道中的移动。同时，在小车上配备相应的紫外灯，以完成消毒工作。这种方式不仅提高了地铁消毒工作的效率，极大方便了地铁消毒工作的开展，而且为地铁环境的安全卫生保障和地铁消毒制度的规范起到良好的保障作用。

1 智能循迹小车概述及分类

1.1 智能循迹小车概述

智能循迹小车是一种新型智能搬运机器人，其主要研发和制造原理是在运输车上安装配置电磁、光学或者其他自动引导装置，以引导并约束运输车能够按照制定的路径行驶。

智能循迹小车主要采用充电蓄电池为动力电源，这样就可以利用电脑程序来控制电源的工作量，以实现对运输车的运动轨迹及相关动作命令的执行控制。此外，还可以将电磁轨道粘贴在运动线路上，确保运输车按照固定的行驶路线来运动。

1.2 智能循迹小车分类

现阶段，智能循迹小车的应用范围不断被扩大，其应用类型也随之增加。一般情况下，智能循迹小车的应用类型主要是根据导航方式而划分的，主要分为电磁感应式、激光式和视觉式。

1.2.1 电磁感应式

电磁感应式智能循迹小车主要适用于地面工作，而且对于大型或者中大型的运输车，大多数情况都是采用电磁感应式。首先需要在特定的工作路径中预埋电线。然后在实际工作过程中，高频电流通过导线时就会在其周围产生相应的电磁场，而智能循迹小车本身配置两个高性能的电磁感应传感器，可以用来接收电磁信号并根据信号之间的差异性来分析判断智能循迹小车是否按照预定的轨迹行驶。同时，智能循迹小车利用自动化控制系统根据信号的具体偏差值来实现对循迹小车运动转向的控制。此外，电磁感应式智能循迹小车采用连续动态的闭环控制方式，更有利于循迹小车对运动轨迹进行跟踪控制。

1.2.2 激光式

激光式智能循迹小车的应用范围相对比较广泛。这种类型的循迹小车自身配置有可旋转的激光扫描器，其安装位置可以是墙壁，也可以是工作环境中的支柱或者其他路径，但是都需要具备高反射激光定位标志。这是因为激光式智能循迹小车主要是利用激光扫描器来发射和接收激光束，并通过车载计算机分析计算激光信号所反馈出的车辆位置和运动方向，将其与内置的数字地图进行对比，以判断出下一步循迹小车的运动方向，这种处理方式完全是自动化的。同时，激光信号可以采用红外信号或者超声波信号来替代，以转变成由红外引导和超声引导的智能循迹小车。

1.2.3 视觉式

视觉引导式智能循迹小车是目前发展速度最快且较为成熟的一种技术手段，其主要由CCD摄像机、传感器和车载计算机组成，并将循迹小车的行驶路径及周围环境图像数据等提前存储在计算机数据库中。在实际运动过程中，实时调取相机获取的图像与数据库中的信息相比较，以精准掌握循迹小车当前的位置和运动轨迹情况，并对后续运动动向作出相应的判断。视觉式引导智能循迹小车的优势在于不需要内部设置特定人工物理路径，具有较强的灵活性。但是随着计算机技术和互联网技术的发展，发现视觉式智能循迹小车的实用性不强。

2 智能循迹无人消毒小车整体设计方案

2.1 系统基本组成

地铁无人消毒小车主要由 STM32F103ZET6单片机主控系统、银尔达漫反射激光循迹模块、TB6600 57步进电机驱动器控制器驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。智能循迹小车控制系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2.2 主要结构设计

主控电路：由于STM32F103ZET6单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰的优点，因此将其作为控制单元，以方便烧录程序、修改、调速等各项工作的进行。

循迹模块：主要采用银尔达漫反射激光循迹模块，其主要工作原理是由激光传感器中的振荡管作为信号发射源来发射180 kHz频率的震荡波，然后该震荡波经三极管放大和激光管发光，同时采用与180 kHz相匹配的接收管来接收返回信号。需要注意的是，接收管只能接受相同频率的反射光以防止可见光对反射激光的影响。

驱动模块：采用TB6600 57步进电机驱动器控制器为驱动模块。该驱动器的性能良好，具有高电压、大电流、响应频率高等优势，同时，电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良，此外，还具有脱机保持、提供节能的半自动电流锁定功能和内置温度保护和过流保护功能，能够适应各种复杂电路的功能需求。此外，该驱动器的输出电压可以根据输入电压来自动调节，以满足不同负载能力的功能需求。

步进电机：通常采用4台57步进电动机。步进电动机是通过在电机的控制线上加上适当的电压来实现电机的旋转，并通过电压量来控制电机的转速。同时，还可以采用PWM 调速来调整电机转速。

电源模块：电源主要以交流蓄电池为主。电源使用过程中，需要转换成直流并经稳压芯片稳压、降压器降压和电容滤波等处理提供给电机和单片机。

消毒模块：主要采用紫外线消毒灯。这是因为紫外线消毒杀菌的原理在于破坏微生物的DNA结构，以使之失去繁殖和生存的功能。同时，该方法具有无色、无味、无化学物质遗留等特点。相比较于传统的漂白粉杀菌技术更环保。

3 整体控制方案确定

总体来说，循迹小车是以引导线为运动轨迹，采用检测系统对小车的实际运动路径进行检测，并将相关信息传输至单片机中进行处理分离，然后传输到驱动模块来执行相关命令，对小车的直流电机等进行控制转向，以确保小车能够按照设定的路线行驶，并保证小车的运行速度和平稳性。无人小车的系统控制如图2所示。

图2 无人小车的系统控制框图

地铁无人消毒小车主要由STM32F103ZET6单片机、TB6600 57步进电机驱动器、激光传感器和电机等组成，各个功能模块相互配合组成相应的运行系统，其功能作用和工作原理和智能循迹小车相似。明显区别在于地铁无人消毒小车的电机自动配有减速齿轮机，不涉及调速的相关事项。

4 运动逻辑及软件设计

4.1 小车运动逻辑

电机控制逻辑如下：以电机A为例，当使能端EN A为高电平时，如果输入引脚IN1为低电平而输入引脚IN2为高电平，电机A反转；如果输入引脚IN1为高电平而输入，引脚IN2为低电平，电机A正转。

4.2 软件设计

对于地铁无人消毒小车的软件功能设计，一方面是采用激光模块对小车的运动数据实时获取分析，以判断小车的运行状态；另一方面是通过调整电机左右轮之间的转速差来控制小车的运行姿态，其转速差主要是依靠PID算法计算得出。

5 结语

综上所述，地铁无人消毒小车是在循迹小车的基础上设计应用的，具有多方面的性能优势，如电路简单、操作方便、对使用环境要求较低等。因此，地铁无人消毒小车不仅仅适用于地铁上的消毒工作，而且也可以用于一些大型交通工具的消毒工作。相关部门在加强无人消毒小车的设计研究的同时，仍需要进一步拓展其应用范围。

［1］林豪，王新雨，徐玥.基于高性能单片机的智能物流小车研究与设计［J］.河南科技，2020（5）：24-28.

［2］温芮，陈锦鸿，王丽.基于蓝牙控制技术的智能小车控制系统设计［J］.汽车零部件，2019（12）：1-4.

2095－6835（2020）20－0152－02

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.066

马进（1999—），男，重庆人，本科，研究方向为自动化人工智能。

2019年国家级大学生创新创业项目“应用于地铁市场的无人消毒小车”（编号：ZX190104302032）

〔编辑：严丽琴〕