李文芳 邱鹏 李剑 赵飞
摘要：介绍了一种电气化洗扫车高压水路系统的设计方案、系统构成和工作流程。该系统包括自適应参数水路和设定参数水路。根据两种水路对应的不同工况，详细地分析了相应的控制策略。该系统智能化程度高，作业模式丰富多样，作业方式高效节能。
关键词：洗扫车；
高压水路系统；
工作流程；
控制策略
中图分类号：U462 收稿日期：2023-03-10
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.017
1 前言
随着我国城镇化水平的不断提高，人们对于城市道路环保要求也越来越高，洗扫车作为一种可满足全路面高洁净的保洁作业车辆，越来越受到人们的青睐[1]。洗扫车通过高压水路系统产生高压水流冲洗地面，将路面的垃圾污渍冲刷下来，再利用高压风机及吸嘴回收垃圾及污水，完成路面清洁作业。传统电动底盘的洗扫车设计中，一般由一个上装电机同时驱动高压水泵、高压风机及液压油泵，几者间的传动比固定，无法实现各部件的独立控制，如图1所示。电气化洗扫车作为一种新型的洗扫车设计理念，高压水泵、高压风机及液压油泵分别采用电机直驱独立控制，免除传统电动底盘车辆控制关联造成的能耗损失，通过智能技术的应用可实现洗扫车多样化的作业模式和高效节能的作业方式。
2 高压水路系统工作原理
洗扫车清水箱中的水在高压水泵的驱动下经过滤器进入高压水泵[2]，产生的高压水经过调压卸荷阀进入水阀组，然后在气控球阀的控制下进入各个工作水路，图2为高压水路系统工作原理图。
高压水路系统包括卸荷水路、高压辅助水路、垃圾箱自洁水路以及路面清洗水路，其中高压辅助水路包括车尾喷雾降尘、手持喷枪、路沿冲洗和定点冲洗等水路。
第一路为常开卸荷水路。水泵启动怠速时，有压水从卸荷水路流回水箱，在正常工作时，关闭此水路。第二路为高压辅助水路。车尾喷雾装置是安装在车尾部的装有喷雾喷头的高压喷杆，用于清扫后路面的保湿压尘；
手持喷枪装置包括软管卷盘和高压喷枪，用于整车清洁；
左右角喷用于左右人行道路面的清洁；
点喷用于路面部分顽固垃圾的定点清除。第三路为垃圾箱自洁水路。在垃圾箱卸料后，安装于垃圾箱内的高压喷杆对垃圾箱进行自洁。第四～六路为路面清洗水路。该水路布置在吸嘴左右两侧和中间的高压喷杆，可以同时清洗左右两侧路面，清洗道路面积宽，清扫效率高。
3 高压水路系统总体设计方案
清洗车高压水路系统根据负载工况的不同，分为自适应参数水路和设定参数水路。
自适应参数水路主要用于路面洗扫作业，包括吸嘴的左右喷杆和中喷杆水路[3]。路面洗扫模式总体设计方案为：通过采集路面的图像（图3）来确定垃圾在图像中的分布（左中右）和路面垃圾量的识别，对路面清洁程度进行分级，具体分为清洁路面、一般路面、污染路面（表1）。通过车速传感器采集车辆行驶速度信息，利用中央处理单元对图像信息和车速信息进行处理并输出相应的脉冲信号，以调节驱动电机输入电压来改变电机转速，即改变水泵转速来改变水泵输出水压，最终自动调节喷杆水路的打击力。
通过识别垃圾的分布来确定采用左扫、右扫和全扫模式（即左右喷杆是否工作）；
当垃圾在所有部位图像占比都达100%，且为最难清理垃圾时，此时电机转速及水泵水压均为最大，车速为最低工作车速；
当垃圾在图像中占比减小，且垃圾种类变化时，电机的转速和水泵水压自动减小，车速自动调节；
当垃圾在图像中占比为0时，水泵转速为0，高压水路不工作，车速为最高工作车速。
设定参数水路包括角喷、手持喷枪、自洁、后喷雾、点喷等水路。这些水路在实际使用过程中，负载基本都相对固定，可以对应工况设定好对应的参数，同时增加手动调节电机转速功能来满足特殊工况。
4 工作流程
路面洗扫作业为洗扫车的主要作业模式，在执行此作业模式时高压水路系统的工作流程为：图像采集系统采集路面图像信息，转化为制式信号后传输到中央处理器，中央处理器识别图像信息确定垃圾分布、路面污染程度、垃圾种类情况等。同时底盘车速传感器采集车辆行驶速度信息，通过车辆CAN总线传输到中央处理器。中央处理器通过经验数据设置及深度学习过程，结合路面图像信息和车速信息运算出适应当前工况的结果，并将上述结果转化为上装控制器可识别的信号，上装控制器根据上述信号对控制水阀块电磁气阀中的左中右三路喷杆进行相应选择，同时对驱动电机转速进行调节进而改变高压水路喷射水压，实现自适应作业。
除上述路面洗扫作业的自适应工作流程以外，高压水路系统还具有路沿冲洗、人工冲洗、箱体清洁、喷雾降尘、定点冲洗等作业功能，其工作流程为：作业人员可通过操作面板选择所需作业模式，输入信号传输至上装控制器，进而控制水阀块电磁气阀中角喷、手持喷枪、自洁、后喷雾、点喷等水路进行相应作业。
依据高压水路控制系统的基本要求设计出了该系统的技术路线图，如图4所示。
5 控制策略
本电气化洗扫车高压水路系统控制策略分为两部分，自适应参数水路和设定参数水路控制策略，其中自适应参数水路控制策略又包括节能作业控制策略和高效作业控制策略。
节能作业控制策略的拓扑结构如图5所示[4]，其控制策略为：作业人员在操作面板启动图像采集系统，摄像头采集路面垃圾分布情况并将信息传递给中央处理器。中央处理器根据所接受信息运算出车辆此时应清扫垃圾的方位，并将指令传输给上装控制器，上装控制器发出相应信号通过控制左中右喷杆水路上的气控球阀QF4、QF5、QF6的启闭实现精准喷水动作。摄像头采集垃圾种类及污染程度并将信息传递给中央处理器[5]，中央处理器根据所接受信息运算出此时高压水泵所需转速，并将指令传输给上装控制器，上装控制器通过控制高压水泵转速实现喷射水压的调节。同时中央处理器也运算出适合当前工况的车速并将指令传输给底盘控制器，底盘控制器通过控制底盘电机转速实现车速的调节。从以上控制策略可以看出，车辆作业时可根据实时工况自动调节其上装和底盘的工作参数，避免车辆在非恶劣工况时仍处于高能耗作业模式。车辆根据垃圾分布情况自动选择左扫、右扫、全扫模式，完成精准喷水作业，可实现水资源利用的最优化。
高效作业控制策略的拓扑结构如圖6所示，其控制策略为：当路面清洁度较高，需提高作业效率时，作业人员在操作面板设置一较快的作业车速，底盘控制器收到车速指令后通过控制底盘电机转速使得车辆按照设定车速行驶作业。作业人员在操作面板启动图像采集系统，摄像头采集垃圾分布、垃圾种类及污染程度信息传递给中央处理器，此时中央处理器会结合作业人员已经设定的车速参数运算出车辆此时应清扫垃圾的方位和高压水泵所需转速，并将指令传输给上装控制器，上装控制器发出相应信号控制左中右喷杆喷水动作及高压水泵转速，进行自适应作业。从以上控制策略可以看出，其与节能作业控制策略不同的地方在于车辆作业车速为作业人员主动设置，进而在此车速下进行上装工作参数的自动调节。
设定参数水路控制策略的拓扑结构如图7所示，其控制策略为：作业人员可先打开相应的手控球阀后，再通过操作面板进行车尾喷雾压尘操作、手持喷枪车身清洁操作、左右角喷路沿清洁操作、定点冲洗操作，上装控制器收到动作指令后，通过控制气控球阀QF2的启闭，水泵达到设定转速及水压后，来进行相应动作；
在垃圾卸料后，操作手可以直接通过操作面板进行垃圾箱自洁操作，控制气控球阀QF3的启闭，水泵达到设定转速及水压后，喷杆进行自洁动作。
6 结语
通过以上的动作及控制策略分析可知：设定参数水路系统可根据实际负载设定相应参数，但是自适应参数水路控制系统需要根据不同的路面情况进行大量的实验和深度学习，进而确定最优的水压和车速，实现洗扫车高效节能化作业，此项工作为后续研究的重点方向。
参考文献：
[1]刘洋洗扫车高压水路系统的设计分析[J]专用汽车，2010（2）：50-52
[2]崔少晨，柴立环卫洗扫车高压水路系统设计与研究[J]建设机械技术与管理，2015（9）：84-86
[3]周广昭道路洗扫车吸尘系统流场分析及高压水路控制系统开发[D]天津：河北工业大学，2020
[4]李文芳，李剑一种高位举升自装卸式垃圾车动作及控制策略分析[J]专用汽车，2022（1）：67-70
[5]石海涛多路图像同步采集与预处理技术[D]西安：西安科技大学，2019
作者简介：
李文芳，男，1985年生，工程师，研究方向为新能源环卫专用车辆。
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