AGV 智能消毒降塵噴灑車(chē)設(shè)計(jì)

李海珍， 王德軍， 趙現(xiàn)省

（1. 單縣職業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校， 山東 菏澤 274300； 2. 生態(tài)環(huán)境部， 北京 100006；3.科鑠智能科技（煙臺(tái)）有限公司， 山東 煙臺(tái)264006）

0 引言

2019 年底以來(lái)，一種名為“COVID-19”的冠狀病毒席卷全球， 目前已造成全球數(shù)千萬(wàn)人感染， 數(shù)十萬(wàn)人死亡，全球經(jīng)濟(jì)體遭受重創(chuàng)。 本次爆發(fā)的“COVID-19”冠狀病毒， 以及2003 年出現(xiàn)SARS，2012 年以后出現(xiàn)MERS是對(duì)人類(lèi)的自身免疫系統(tǒng)一次又一次的挑戰(zhàn)， 在疫苗尚未問(wèn)世之前，如何行之有效的消滅病毒是棘手的問(wèn)題。而當(dāng)前用于戶外消滅病毒的最強(qiáng)有力的方法， 就是使用消毒液進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的消殺， 特別是防疫重地和敏感區(qū)域必須安裝消毒設(shè)備。人工消毒存在潛在的疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)，使用智能消毒機(jī)器人很好解決了這一問(wèn)題， 而且消毒機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)不間斷工作，大大提高了消毒效率，相比傳統(tǒng)的人工推車(chē)消毒用時(shí)更短、消毒更全面，有效避免交叉感染，為進(jìn)一步控制疫情爭(zhēng)取時(shí)間。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的智能消毒機(jī)器人， 主要以遙控車(chē)輛為載體，集成消毒系統(tǒng)和設(shè)備。 消毒方法一般為超干霧消毒和紫外線消毒兩種。 超干霧消毒，即噴出納米級(jí)別的水霧分子，快速吸附細(xì)菌、病毒、芽孢等微小顆粒，實(shí)現(xiàn)完全消毒， 這種消毒方式不僅適用于封閉空間同時(shí)也適用于開(kāi)放空間。紫外線消毒，是使用254nm 波長(zhǎng)的紫外線損壞病毒，瓦解細(xì)菌的DNA 或RNA 分子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滅菌消毒，這種方式需要防止輻射照射到人體造成灼傷。 本文介紹的AGV 智能消毒降塵噴灑車(chē)噴出的霧粒十分細(xì)小， 當(dāng)其與空氣中病毒、粉塵、細(xì)菌接觸時(shí)，會(huì)形成一種潮濕的霧狀體，可以快速的殺死病毒、病菌，并同時(shí)將粉塵抑制，此種智能?chē)姙④?chē)無(wú)論是在露天的道路，還是室內(nèi)都非常實(shí)用。噴灑車(chē)操作靈活，既可以自動(dòng)控制，也可以遙控控制，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況旋轉(zhuǎn)及調(diào)節(jié)噴霧角度， 設(shè)備安全可靠， 耗水和耗藥量相比其他的噴灑設(shè)備可節(jié)約60%～75%[1，2]。

1 主要結(jié)構(gòu)

AGV 智能消毒降塵噴灑車(chē)主要由地面指引預(yù)埋系統(tǒng)，見(jiàn)圖1、AGV 底盤(pán)系統(tǒng)、自動(dòng)噴灑系統(tǒng)、充電供水系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖2。 此車(chē)動(dòng)力源采用電能作為動(dòng)力源，續(xù)航長(zhǎng)達(dá)24 小時(shí)，電量不足時(shí)會(huì)亮起紅燈，并自動(dòng)退回庫(kù)位的充電樁充電，庫(kù)位還設(shè)有自動(dòng)補(bǔ)水裝置，充電的同時(shí)還可以給水箱補(bǔ)充水，待電量充滿后繼續(xù)進(jìn)行當(dāng)前工作。智能?chē)姙④?chē)還支持遠(yuǎn)程遙控行駛，實(shí)現(xiàn)人機(jī)分離，有效降低防疫工作者的感染風(fēng)險(xiǎn)。在消毒過(guò)程中，智能?chē)姙④?chē)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)，提醒行人規(guī)避，保證行人的安全，當(dāng)完成消毒任務(wù)后，智能管理系統(tǒng)檢測(cè)空閑時(shí)段時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)度回到指定的待命點(diǎn)， 同時(shí)補(bǔ)充水和電能， 也可根據(jù)新的消毒任務(wù)，指派待命中或即將待命的智能?chē)姙④?chē)就近完成任務(wù)。當(dāng)智能?chē)姙④?chē)即將進(jìn)入另一臺(tái)智能?chē)姙④?chē)的作業(yè)路段時(shí)，會(huì)先檢測(cè)該路段是否有其他機(jī)器人在執(zhí)行命令，若有則停車(chē)等待通行，若無(wú)則會(huì)向系統(tǒng)反饋行駛信息，防止車(chē)輛交叉作業(yè)。

圖1 地面指引預(yù)埋系統(tǒng)

圖2 智能消毒降塵噴灑車(chē)主要結(jié)構(gòu)

1.1 自動(dòng)噴灑系統(tǒng)

采用消毒液和水箱分離設(shè)計(jì)， 內(nèi)置耐腐蝕樹(shù)脂消毒桶可裝載84 消毒液、農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑等環(huán)保溶液，可完成物理降溫及降塵，病毒消殺，病蟲(chóng)害防治等工作，水箱裝載純凈水。 高壓霧化噴頭，可以調(diào)節(jié)噴出液體霧化狀態(tài)，環(huán)繞噴射，對(duì)于重點(diǎn)區(qū)域，可調(diào)節(jié)噴灑時(shí)間，做到動(dòng)靜皆宜。智能?chē)姙④?chē)可以根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)配溶液濃度， 節(jié)省藥液使用量降低成本，藥液用盡后會(huì)報(bào)警，并自動(dòng)返回場(chǎng)站進(jìn)行添加。同時(shí)采用消毒液和水箱分離，可以實(shí)現(xiàn)消毒和降塵的無(wú)縫切換， 避免了消毒液殘留問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。 在行進(jìn)工作時(shí)，車(chē)上可以搭載的LED 顯示屏，配合音樂(lè)滾動(dòng)播放用來(lái)警示路人。 智能?chē)姙④?chē)可通過(guò)路面預(yù)埋的磁條在重點(diǎn)路段往復(fù)定時(shí)消殺， 也可人工使用遙控器進(jìn)行遙控操作，更加方便用戶多場(chǎng)景使用，同時(shí)搭載減震橡膠輪胎，一些坑洼路面也能正常工作，同時(shí)搭載自主導(dǎo)航功能，可根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)入狹窄的公共場(chǎng)所，采用遞進(jìn)式消毒模式，24 小時(shí)循環(huán)定點(diǎn)消毒[8]見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)噴灑系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量要求越來(lái)高，霧霾、空氣中的可見(jiàn)粉塵、PM2.5 等需要治理，要求路面設(shè)備同時(shí)有一定的除塵效果。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究表明，顆粒在空氣中的狀態(tài)主要取決于粒徑， 當(dāng)水顆粒的粒徑在10μm 以上時(shí)，在空氣中主要是下沉的狀態(tài)，然而當(dāng)水顆粒的粒徑在10μm 以下時(shí)，顆粒則主要處于一種懸浮的狀態(tài)。 因此人們通常把10μm 以上粒徑的下沉狀態(tài)的水霧稱(chēng)之為水態(tài)霧， 同時(shí)把10μm 以下粒徑的處于懸浮狀態(tài)的霧稱(chēng)之為氣態(tài)霧， 自動(dòng)噴灑系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地生成這樣的環(huán)境見(jiàn)圖4，并且噴霧均勻、抑塵除菌效果好而且用水量少，是首選的除塵噴霧消毒設(shè)備。

圖4 除霧原理

自動(dòng)噴灑系統(tǒng)特點(diǎn)：

（1）噴嘴：除塵效果與噴霧顆粒直徑有密切關(guān)系，是噴灑系統(tǒng)的靈魂部件——噴嘴將水霧轉(zhuǎn)化成為適合的降塵水霧顆粒，使噴灑更加均勻，同時(shí)降塵速度更快。

（2）風(fēng)機(jī)：風(fēng)機(jī)的主要作用是迅速的產(chǎn)生高速氣流。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，高速氣流就從出風(fēng)口噴出，把噴嘴霧化形成的細(xì)小霧滴流吹到需要消毒滅菌的區(qū)域。 與此同時(shí)，在高速氣流的作用下，物體會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，有利于霧滴充分的進(jìn)入其內(nèi)部，提高了噴灑效果。自動(dòng)噴灑系統(tǒng)采用風(fēng)壓高、風(fēng)速大、驅(qū)動(dòng)方便、氣流穿透力強(qiáng)的離心風(fēng)機(jī)，葉片采用全壓效率較高的后向彎曲葉片，除了可以保證噴霧射程以外，還可以給使霧化效果的提高。

（3）增壓泵：增壓泵是自動(dòng)噴灑系統(tǒng)的心臟，實(shí)現(xiàn)把水箱和濃縮消毒水箱的液體從儲(chǔ)存箱輸送到噴嘴， 通過(guò)高壓水流把水霧化。

（4）轉(zhuǎn)向定位裝置：自動(dòng)噴灑系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)和出風(fēng)管連接處增加了轉(zhuǎn)向定位裝置和角度控制裝置， 可以使出風(fēng)管出口方向既能在水平面內(nèi)作360°旋轉(zhuǎn)又可以調(diào)整角度，以適應(yīng)作業(yè)風(fēng)向的變化。

（5）實(shí)時(shí)檢測(cè)：智能消毒降塵噴灑車(chē)可連接多種檢測(cè)傳感器，例如粉塵傳感器、溫度傳感器、病菌傳感器等，利用車(chē)載5G 通信模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤；并可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定污染值，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定值，自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備見(jiàn)圖5。

（6）純凈水、濃縮消毒水比例控制器：比例控制器核心部件是電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，它主要由三通調(diào)節(jié)閥體和直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一種電子式一體化結(jié)構(gòu)， 包括伺服放大器、輸入控制信號(hào)及電源；它可控制進(jìn)口閥門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量、壓力、液位、溫度等參數(shù)的調(diào)節(jié)。電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥具有接線簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、體積小、調(diào)節(jié)精度高等特點(diǎn)。電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥具有合流和分流功能， 本設(shè)備使用電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥的合流功能。 電動(dòng)三通合流調(diào)節(jié)閥主要用于將兩種流體混合后形成第三種流體。電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥可代替兩臺(tái)互為開(kāi)關(guān)的單、雙座調(diào)節(jié)閥，用于液體的調(diào)節(jié)與控制。當(dāng)智能?chē)姙④?chē)開(kāi)啟除塵模式，關(guān)閉濃縮消毒液進(jìn)口，噴灑混合液完全為純凈水，實(shí)現(xiàn)降塵功能。 當(dāng)消毒降塵噴灑車(chē)開(kāi)啟消毒模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際污染情況，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)濃縮消毒液進(jìn)入比例，即節(jié)省了消毒液也減少了二次污染，見(jiàn)圖6。

圖5 消毒實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)

1.2 AGV 底盤(pán)系統(tǒng)

圖6 消毒水比例控制原理

AGV 綜合了聲、電、機(jī)、光等現(xiàn)代科技領(lǐng)域先進(jìn)的理論和技術(shù)，見(jiàn)圖7；具有單車(chē)編程和系統(tǒng)控制管理功能，能按照指令沿預(yù)定路線行駛，到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)，完成一系列的作業(yè)任務(wù)。同時(shí)它還可與外部的自動(dòng)化物流系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、信息自動(dòng)化系統(tǒng)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的聯(lián)網(wǎng)流通和管理的實(shí)時(shí)監(jiān)控。它還可以通過(guò)車(chē)載伺服驅(qū)動(dòng)與控制、無(wú)線電通訊、紅外通訊或微波通訊、信息采集與處理、快速充電等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)AGV 的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 消毒降塵噴灑系統(tǒng)以AGV 為載體實(shí)現(xiàn)噴灑消毒的自動(dòng)化及智能化，通過(guò)智能終端與所在工作區(qū)形成物聯(lián)系統(tǒng)，按照預(yù)定程序，無(wú)需人工操控，便可以自主過(guò)電動(dòng)門(mén)，搭乘電梯，在樓宇內(nèi)各個(gè)區(qū)域自由運(yùn)動(dòng)，形成自動(dòng)消毒的工作閉環(huán)，而在人口聚集區(qū)以及建筑死角，機(jī)器人可以通過(guò)云端設(shè)置，自動(dòng)延長(zhǎng)逗留時(shí)間，提高空氣中的噴霧濃度，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)化消毒。

圖7 AGV 底盤(pán)系統(tǒng)

智能?chē)姙④?chē)主要以前后兩個(gè)激光區(qū)域傳感器為定位模塊，通過(guò)360°的全息感知系統(tǒng)，達(dá)到避障功能，實(shí)時(shí)感知0～4m 區(qū)間環(huán)境， 進(jìn)行消毒作業(yè)時(shí)能夠自動(dòng)避讓障礙物。激光區(qū)域傳感器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是，測(cè)量光束發(fā)出后再經(jīng)由物體反射回到傳感器的時(shí)間，計(jì)算出物體的距離、方向和角度，光速傳播能極大減少識(shí)別誤差。

車(chē)尾放置雨量傳感器，如雨勢(shì)加大則自動(dòng)停止工作退回場(chǎng)站待命。 電池模組溫度傳感器，遇高溫報(bào)警并停止工作，電池模組主動(dòng)散熱風(fēng)扇進(jìn)行散熱。 行車(chē)碰撞預(yù)警系統(tǒng)可防止車(chē)輛撞擊障礙物造成故障和人身事故，如障礙物無(wú)法消除則車(chē)輛會(huì)自動(dòng)向管理員發(fā)出通知排除路障。另外車(chē)頂還可以放置太陽(yáng)能光板，可吸收光能轉(zhuǎn)換為電能，為車(chē)內(nèi)一些耗電量小的電器供電， 如散熱風(fēng)扇，LED 屏幕，車(chē)體燈光、揚(yáng)聲器等[2-4]。

1.3 供電供水系統(tǒng)

目前AGV 按充電方式來(lái)劃分， 分為在線充電和離線充電兩種：

（1） 在線充電便是利用AGV 小車(chē)暫時(shí)停留或者工作等待的零散時(shí)間進(jìn)行充電， 它不需要AGV 小車(chē)離開(kāi)其工作線路， 也不需要預(yù)留專(zhuān)門(mén)的時(shí)間進(jìn)行充電， 這種充電模式通俗的來(lái)說(shuō)是一種隨機(jī)充電的模式，這樣做更容易提升它的搬運(yùn)效率，在實(shí)際應(yīng)用中需要將多個(gè)AGV 充電樁放置在AGV 的活動(dòng)區(qū)域和工作流程中。

（2）離線充電，顧名思義就是當(dāng)AGV 小車(chē)在充電時(shí)需要駛?cè)牍潭ǖ某潆姌痘蛘叱潆娢贿M(jìn)行充電， 此時(shí)工作循環(huán)需要專(zhuān)門(mén)的充電時(shí)間。

按充電連接方法，分為接觸式充電和無(wú)線充電兩種：

（1）接觸式充電即所有充電回路需要使用電纜和充電觸頭將AGV 小車(chē)與供電系統(tǒng)連接， 直接對(duì)其進(jìn)行充電。接觸式充電的特點(diǎn)可提供較大的充電電流， 可以實(shí)現(xiàn)快速充電，但其不適用于頻繁的隨機(jī)充電，并且實(shí)際使用中存在充電觸頭磨損，需要定期更換。并可能在充電過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生火花，存在安全隱患。另外因?yàn)槌潆娪|頭系暴露部件，無(wú)法在低溫凝露、潮濕、易燃易爆等環(huán)境工作，充電系統(tǒng)需要設(shè)置在室內(nèi)。

（2）無(wú)線充電即非接觸充電裝置，不需要用電纜將車(chē)輛與供電系統(tǒng)連接，省去了充電觸頭，充電器及用電的裝置都可以做到無(wú)外露。運(yùn)用無(wú)線充電技術(shù)可以使AGV 儲(chǔ)能系統(tǒng)與充電系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)電氣隔離， 從根本上消除普通接觸式充電方式帶來(lái)的弊端，更加安全，適用性更廣，但是承載充電電流較小，充電效率低。

考慮設(shè)備成本，智能?chē)姙④?chē)采用離線接觸式充電。設(shè)置封閉式充電位，并設(shè)置供水控制器，當(dāng)智能?chē)姙④?chē)充電時(shí)，同時(shí)小車(chē)打開(kāi)水箱蓋，利用充電時(shí)間補(bǔ)充水箱內(nèi)純凈水，見(jiàn)圖8[5-8]。

圖8 供電供水系統(tǒng)

2 主要優(yōu)點(diǎn)

采用獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)，產(chǎn)品為上下兩個(gè)模塊組成，上部分為自動(dòng)噴灑模塊，下部分為AGV 驅(qū)動(dòng)模塊。 用戶可以根據(jù)需要將上部自動(dòng)噴灑系統(tǒng)更換為貨運(yùn)系統(tǒng)，AGV 驅(qū)動(dòng)模塊可以與噴灑模塊和貨運(yùn)模塊共同適配，可以自行前往隔離區(qū)進(jìn)行消毒或者運(yùn)送餐食、醫(yī)療物品等，減少過(guò)程接觸；噴灑系統(tǒng)設(shè)置純凈水、濃縮消毒水比例控制器，可以實(shí)現(xiàn)消毒降塵功能的切換，實(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用。 智能?chē)姙④?chē)適合醫(yī)院、工廠、道路、公園、居民小區(qū)、實(shí)驗(yàn)室等需要定期消殺除塵的場(chǎng)所， 相對(duì)目前主要采取的人工噴灑消毒具有低噪聲，高效率等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)兼顧實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)型，是降塵滅毒創(chuàng)造人類(lèi)居住環(huán)境的理想選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)， 新發(fā)呼吸道傳染病如中東呼吸綜合征、SARS、人感染高致病性禽流感等層出不窮。 比如2019 年12 月我國(guó)湖北省武漢市發(fā)生的新型冠狀病毒感染的肺炎疫情，并迅速蔓延到全國(guó)各地。特別是公共場(chǎng)所人員聚集，主干路、醫(yī)院、小區(qū)、街道都是重點(diǎn)區(qū)域。 大型綜合醫(yī)院是發(fā)現(xiàn)傳染病的前沿陣地， 是開(kāi)展醫(yī)療救治的一線戰(zhàn)場(chǎng)，但因病源復(fù)雜、疑難危重患者多、人員密集，醫(yī)院也是疫情防控的重點(diǎn)及難點(diǎn)區(qū)域， 消毒滅菌是控制疫情的重要手段。采用AGV 智能消毒降塵噴灑車(chē)既可以高效安全的消毒也可降低人員的風(fēng)險(xiǎn)， 此產(chǎn)品對(duì)防疫消毒降塵方式革新有一定影響[9-10]。