遠(yuǎn)程操控水面漂浮物清潔船的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

廖志青，范汝健，莊宇業(yè)，莫澤生，楊國強(qiáng)，徐俊成

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

遠(yuǎn)程操控水面漂浮物清潔船的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

廖志青，范汝健，莊宇業(yè)，莫澤生，楊國強(qiáng)，徐俊成

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東廣州510800）

主要針對(duì)水葫蘆和水面漂浮的垃圾的清理，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程操控水面漂浮物清潔船。設(shè)計(jì)了其動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、收集系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測研究，有效解決了結(jié)構(gòu)干涉和運(yùn)輸效率問題，達(dá)到清潔水面漂浮物的目的?？刂撇糠职ㄖ绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線遙控模塊，通過實(shí)際調(diào)試，實(shí)現(xiàn)智能化與遠(yuǎn)距離操控。與普通清潔船操作相比，該船將打撈、聚攏、收割、輸送、收集、卸載于一體，全程自動(dòng)化，無需人工，節(jié)能環(huán)保，更加簡便。

水面漂浮物；清潔船；遠(yuǎn)程操控

據(jù)監(jiān)測了解，一株水浮蓮正在以每8個(gè)月繁殖6萬新株的速度泛濫成災(zāi)。相關(guān)部門就此號(hào)召清剿水浮蓮，但是手段比較落后，主要是人工打撈、碾碎或曬干埋掉，清除速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于水浮蓮狂長速度[1]。為此，自主設(shè)計(jì)了一艘遠(yuǎn)程遙控清潔船，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)購買材料，加工，組裝實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，最后實(shí)現(xiàn)迅捷、大規(guī)模清理水浮蓮的目的[2]。

1設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，清潔船有5個(gè)機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成，包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、收集系統(tǒng)[3]。傳送帶能準(zhǔn)確地將水面漂浮物運(yùn)輸，配合傳送工作，同時(shí)有齒皮帶則更好地承載負(fù)荷以及進(jìn)行動(dòng)力傳輸。螺旋槳中的葉片可以更好地與水接觸發(fā)力，使船能迅速的向前推進(jìn)。當(dāng)需要急轉(zhuǎn)彎收集時(shí)，可令柔性舵通過轉(zhuǎn)向完成任務(wù)需要，使船更加靈活工作。船頭設(shè)置收集調(diào)節(jié)臂，在水面漂浮物分布零散的區(qū)域作業(yè)時(shí)，可以提升工作效率。收集箱位于船尾，底部裝有滾輪，在靠近岸時(shí)，可輕松實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)作業(yè)。

圖1 設(shè)計(jì)圖

（1）動(dòng)力系統(tǒng)：如圖2所示，由蓄電池提供總動(dòng)力，為每個(gè)電機(jī)供能。以電動(dòng)機(jī)為船動(dòng)力，電源位于傳送帶下面，同時(shí)裝上變頻器控制動(dòng)力輸送。

圖2 動(dòng)力系統(tǒng)

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)：清潔滾輪上的高強(qiáng)度橡膠可在與傳送帶接觸時(shí)改變形狀，接著配合傳送工作后，再恢復(fù)原來狀態(tài)，能將水葫蘆完成承接工作并把它收集，有齒皮帶則更好地承載負(fù)荷以及進(jìn)行動(dòng)力傳輸。

（3）執(zhí)行系統(tǒng)：位于傳送帶下面的推桿在無線電接收模塊接收到信號(hào)時(shí)，開始伸縮運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)船頭的機(jī)械擺動(dòng)收集臂，緊密配合。

（4）調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主要包括機(jī)械擺動(dòng)收集臂、輸送帶等，前艙兩側(cè)安裝2個(gè)機(jī)械收集臂，能使垃圾收集寬度增加，并且自由開合。在水葫蘆分布零散的區(qū)域作業(yè)時(shí)，可以提升工作效率，減少時(shí)間的浪費(fèi)。

（5）收集系統(tǒng)：位于船尾，當(dāng)靠近岸時(shí)，可輕松實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)移送水葫蘆的物流作業(yè)。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由stc89c52單片機(jī)、無線電接收模塊、無驅(qū)動(dòng)攝像頭、串口通信模塊、降壓模塊、發(fā)射器構(gòu)成，如圖3所示[4]。由單片機(jī)STM32F103控制無線數(shù)字傳輸芯片nRF2401，通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向遠(yuǎn)程傳輸，兩端采用半雙工方式通信，該系統(tǒng)具有成本低，功耗低，軟件設(shè)計(jì)簡單以及通信可靠等優(yōu)點(diǎn)，依靠無線數(shù)字傳輸芯片可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和控制。

圖3 工作原理圖

通過發(fā)射器發(fā)出船運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，無線電接收模塊接受信號(hào)，通過控制系統(tǒng)把信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)傳送給電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳使船體前進(jìn)。當(dāng)把左轉(zhuǎn)的信號(hào)通過發(fā)射器發(fā)射，無線電接收模塊接受信號(hào)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸給減速電機(jī)，減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳送帶，使螺旋槳的角度發(fā)生變化，從而得到船體轉(zhuǎn)向。當(dāng)電信號(hào)傳輸給推桿時(shí)，推桿接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)伸縮的功能，帶動(dòng)船頭的伸縮臂。

船體控制部分用型號(hào)stc89c52單片機(jī)控制，其具有成本低，控制穩(wěn)定的特點(diǎn)，而且其功能完全可以滿足本作品的控制。

本設(shè)計(jì)采用的是外接驅(qū)動(dòng)，即L298N大電流驅(qū)動(dòng)，L298N是專用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，有起輸出電流增大，功率增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等等，其輸入端可以與單片機(jī)直接相連，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)（圖4為電機(jī)控制模塊）。為了避免電機(jī)對(duì)單片機(jī)的干擾，本模塊加入光耦，進(jìn)行光電隔離，從而使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的工作。具體見圖5（總電路圖）。

圖4 電機(jī)控制模塊

圖5 總電路圖

3結(jié)束語

設(shè)計(jì)的水面漂浮物清潔船具有體積小，操作方便，工作非常靈活，清潔效率高的特點(diǎn)，一旦形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，可有效地根除因漂浮物過多而破壞生態(tài)平衡，環(huán)境惡化的后患，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將會(huì)有著相當(dāng)大的意義。

[1]曹志強(qiáng).一種新型水上清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，20（2）：80-82

[2]任蕓丹，王翔.多智能體遙控綠色性評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（7）：263-265.

[3]鄧啟文.空間機(jī)器人遙操作雙邊控制技術(shù)研究[D].長沙：國防科技大學(xué)，2006.

[4]Fred Halsall.多媒體通信[M].北京：人民郵電出版社，2004.

The Design and App lication of FloatClearance Vesselby Remote Control

LIAO Zhi-qing，F(xiàn)AN Ru-jian，ZHUANG Yu-ye，MO Ze-sheng，YANG Guo-qiang，XU Jun-cheng
（Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China）

This articlemainly aims at the cleaning of the water bottle gourd and the floating garbage.The design of the power system，transmission system，execution system，control system，collection system，through the detection of structural entities，effectively solve the interference structure and transport efficiency，to achieve clean floating objects.The control part includes DC motor drive module，wireless remote control module，through the actual debugging，to achieve intelligent and remote control.Compared with the ordinary cleaning ship operation，the ship will gather，fishing，harvesting，transporting and collecting and unloading in one，full automation，without manual，energy saving and environmental protection，more convenient.

inclinable power press；safety；design

U674.2

B

1672-545X（2016）12-0142-02

2016-09-26

廖志青（1983-），男，廣東人，本科，助理工程師，高級(jí)技師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程及自動(dòng)化技術(shù)。