基于流體渦旋向心吸力新型的水面清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

王加浩 解彤 張文蘭 范亞瓊 張亞莉

摘 要：該機(jī)器人從現(xiàn)今嚴(yán)峻的水面漂浮垃圾污染狀況中獲得啟發(fā)，設(shè)計(jì)用于自動(dòng)打撈垃圾并收集垃圾。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)采用雙船體桁梁架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的動(dòng)力與轉(zhuǎn)向采用舵槳一體化設(shè)計(jì)，垃圾打撈部分則是利用升降桿聯(lián)動(dòng)裝置。本設(shè)計(jì)融入了無線遙感技術(shù)、圖像采集和視頻傳輸技術(shù)與行程自動(dòng)導(dǎo)航控制技術(shù)。該機(jī)器人打撈裝置與目前現(xiàn)存的打撈設(shè)備不同，其創(chuàng)新點(diǎn)主要是基于流體渦旋向心吸力原理，該打撈方式增大了船體幅域打撈面積并可以360度無死角打撈，能夠達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、優(yōu)化資源配置和節(jié)能減排的效果。

關(guān)鍵詞：舵槳一體化 遠(yuǎn)程操控 流體渦旋 節(jié)能減排

中圖分類號：TP873 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0095-02

1 研制背景及意義

江河湖海的漂浮垃圾的污染日益嚴(yán)重。目前市場上垃圾打撈船大都是大型船舶機(jī)械，主要用于大面積大范圍的水面垃圾收集，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價(jià)格昂貴而且需要專業(yè)人士進(jìn)行操作，并且不適應(yīng)于城市內(nèi)河、旅游景區(qū)河流、水庫和一些平靜的狹長水域，目前這些水域的垃圾打撈大多數(shù)是采用人工駕駛小船進(jìn)行人工打撈的形式，這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，周期長，不安全，且受環(huán)境氣候等的影響較嚴(yán)重。

2 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

雙體船的衍架結(jié)構(gòu)：機(jī)器人主體的設(shè)計(jì)采用了雙船體結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)平行而分開的浮體，浮體是普通的上寬下窄船體結(jié)構(gòu)，頂部用一個(gè)帶內(nèi)部設(shè)施的連接結(jié)構(gòu)（采用兩個(gè)雙片橫向衍架梁）連在一起。連接結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝有船的各種設(shè)施，包括電動(dòng)機(jī)、電池以及電路板和控制裝置，中間連有橫向衍架梁，具有很高的抗彎和抗扭剛度。

機(jī)器人采用雙船體優(yōu)點(diǎn)：集合了傳統(tǒng)船體及雙體船的優(yōu)點(diǎn)，具有平穩(wěn)性高，相同水域范圍內(nèi)排水量大，船體轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了內(nèi)河因水域狹窄收集帶來的種種收集困難，雙船體總寬度較大，因此具有更大的甲板面積和艙室容積，機(jī)器人主體在水面上不容易左右搖晃，穩(wěn)定性好。將單一船體分成兩個(gè)，可以使船體更瘦長，減小阻力與行駛時(shí)產(chǎn)生的波浪，機(jī)動(dòng)性能好。

2.1 動(dòng)力裝置

水面運(yùn)動(dòng)采用雙螺旋槳來驅(qū)動(dòng)，不需要轉(zhuǎn)向舵，依靠每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)換角度進(jìn)行轉(zhuǎn)向。此設(shè)計(jì)即為舵槳一體化設(shè)計(jì)。雙螺旋槳使機(jī)器人水上運(yùn)動(dòng)的速度與動(dòng)力更強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能更好，舵槳一體化節(jié)約設(shè)計(jì)的成本。

2.2 打撈裝置

打撈裝置主要由垃圾收集桶、過濾網(wǎng)狀傳送帶、傳送帶步進(jìn)電機(jī)、潛水泵、電動(dòng)推桿垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}等六部分組成。

3 打撈原理

其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于對水面懸浮物的自動(dòng)匯聚，主要是基于流體渦旋向心吸力原理：根據(jù)渦速度矩守恒原理，渦旋的旋轉(zhuǎn)圓周速度與渦流半徑成反比，即靠近渦流中心半徑越小的位置，流體的流動(dòng)速率越大，根據(jù)伯努利方程，其相對壓強(qiáng)就越小，這樣就沿渦旋徑向上就產(chǎn)生了壓差，在與大氣接觸的環(huán)境下，表現(xiàn)為下凹的二次曲線型式的自由曲面。下吸旋渦產(chǎn)生的向心吸力，使得流體攜帶渦旋區(qū)域水面懸浮物螺旋向心向下流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人附近一定水域內(nèi)的水面垃圾進(jìn)行360度無死角打撈。

在垃圾桶底下安裝潛水泵，通過抽水泵將收集到的暫時(shí)儲(chǔ)存到桶里水排放到河海中，在打撈裝置內(nèi)部通過過濾網(wǎng)傳送帶實(shí)現(xiàn)垃圾與水的分離和垃圾從打撈桶到垃圾倉的輸送，打撈桶底部的潛水泵將實(shí)現(xiàn)對水的不斷循環(huán)，不斷地提供渦旋向心吸力，實(shí)現(xiàn)垃圾打撈的連續(xù)過程。

4 機(jī)器人能源供給

機(jī)器人采用光能+蓄電池的供能模式。動(dòng)力來源于大容量電池、太陽能發(fā)電混合電源系統(tǒng)，解決了一般性水面機(jī)器人長時(shí)間持續(xù)巡航的動(dòng)力問題。

5 超級電容與太陽能電池板的協(xié)調(diào)工作

光伏電池陣列作為系統(tǒng)的電源，具有較軟的外特性，容易受到環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、負(fù)載工況等因素的影響。因此系統(tǒng)在光伏電池與直流母線間加入單DC/DC環(huán)節(jié)，對光伏電池的輸出電能進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤。

超級電容通過雙向DC/DC與直流母線相連，對負(fù)載進(jìn)行供電。通過對雙向DC/DC的控制，超級電容可以吸收富余的光伏電池輸出電能，釋放負(fù)載所需的能量。超級電容在系統(tǒng)中具有如下三大功能。

（1）作為能量存儲(chǔ)裝置，在太陽能供電不足時(shí)向負(fù)載供電，在太陽能供電富余時(shí)吸收、存儲(chǔ)多余的能量。

（2）作為濾波器，對光伏電池輸出的不穩(wěn)定的電能進(jìn)行濾波，輸出穩(wěn)定的電能。

（3）與光伏陣列及單向DC/DC相配合，實(shí)現(xiàn)MPPT在太陽能垃圾清理小船電氣系統(tǒng)中，負(fù)載的功率變化在某些工況下的變化較大，因此在系統(tǒng)中引入一個(gè)并聯(lián)電容環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)載功率突變時(shí)，并聯(lián)電容可以及時(shí)地支撐負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。

6 流量的閉環(huán)控制

根據(jù)機(jī)器人初步模型尺寸設(shè)計(jì)，船體長650mm，寬450mm，高320mm；其中船艙設(shè)計(jì)為長350mm，寬340mm，高200mm；入水口的寬度設(shè)計(jì)為330mm；初步確定入水口截面高度為（15±5）mm；假設(shè)水流向入水口的平均速度為100mm/s。所以確定設(shè)計(jì)流量、為：

由以上確定的設(shè)計(jì)流量，利用最小二乘法從數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用MATLAB擬合出水泵性能曲線和管道特性曲線，計(jì)算出設(shè)計(jì)揚(yáng)程H設(shè)。除此之外，考慮到水泵的出水口在船體底部，為了使機(jī)器人小船能夠在水面上穩(wěn)定性更好，盡量選擇揚(yáng)程較小的水泵，減少水泵的出水對船體的影響。

綜合以上因素，選擇能達(dá)到水面垃圾清理機(jī)器人的要求的水泵為：ZQB6X8-12型號水泵，額定功率：120W，額定流量：2m3/h，額定揚(yáng)程：4m。

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