基于arm的水上垃圾清理機(jī)器人設(shè)計(jì)方法

華洵 曹雪花

摘要：當(dāng)前水體污染給人們的生產(chǎn)生活，給社會(huì)生態(tài)環(huán)境都帶來了非常嚴(yán)重的影響，越來越受到社會(huì)的普遍關(guān)注。目前清理水體污染物主要是靠人工進(jìn)行打撈，人力物力耗費(fèi)較大，為有效解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)制作了一款由人工遠(yuǎn)程遙控對(duì)水面上的塑料袋、飲料瓶、樹枝樹葉等固體垃圾進(jìn)行清理的機(jī)器人。該機(jī)器人除整體上采用水面穩(wěn)定性較高的雙船體結(jié)構(gòu)外，還包括圖像傳輸單元、動(dòng)力推進(jìn)裝置、打撈及傳輸裝置等便于快速完成垃圾清理任務(wù)的相關(guān)機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人在人工協(xié)助下能夠?qū)λ嫔系墓腆w垃圾物清理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，整個(gè)打撈過程無須人工直接參與，安全、便捷。

關(guān)鍵詞：水體污染;垃圾清理;水中機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）01-0237-03

Arm-based Design Method for Water Garbage Disposal Robot

HUA Xun1， CAO Xue-hua2

（1.Wuxi No. 1 Middle School， Wuxi 214031， China; 2.Jiangyin Polytechnic College Jiangsu， Jiangyin 214405， China）

Abstract： At present， water pollution has seriously affected people's production and life and social ecological environment.and now the cleaning of water pollutants mainly relies on? manual salvage， which consumes a large amount of human and material resources. In order to effectively solve this problem，this paper designed and built a robot which can be used to clean plastic bags， beverage bottles， branches， leaves and other solid wastes on the water surface by manual remote control. In addition to the two-hull structure with high surface stability as a whole， the robot also includes image transmission units， power propulsion devices， fishing and transmission devices， and other related mechanisms that facilitate rapid garbage disposal. The robot can clean up solid waste on the water surface automatically with the help of human hands. The whole fishing process is safe and convenient without direct human involvement.

Key words： water pollution; garbage diposal; Underwater robot

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水面垃圾清理機(jī)器人整體采用雙體船結(jié)構(gòu)[1]，可以在較大的風(fēng)浪下穩(wěn)定工作。兩船體間安裝容量較大的網(wǎng)狀式垃圾收集箱，配合履帶式輔助收集機(jī)構(gòu)完成水面垃圾收集和短時(shí)存儲(chǔ)。下圖一為本文設(shè)計(jì)的水面垃圾清理機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖。

如圖1所示，本款水面垃圾清理機(jī)器人的主要組成單元包括推進(jìn)裝置、船體運(yùn)動(dòng)控制器、無線通信及水面垃圾視頻檢測(cè)裝置等相關(guān)機(jī)構(gòu)。

在船體中部，設(shè)有網(wǎng)狀式垃圾收集裝置，容量大且可快速更換，最前端的履帶式輔助回收裝置有兩路電機(jī)拖動(dòng)，不僅能增加船體前向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，而且能夠?qū)⒅車睦柚魑降交厥掌髦小?/p>

視頻監(jiān)控裝置可以借助無線通信單元將水面視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)上，方便操作人員觀察人眼無法看到的區(qū)域內(nèi)的垃圾分布情況并操作機(jī)器人準(zhǔn)確收集這些區(qū)域內(nèi)的垃圾。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的水面垃圾清理機(jī)器人的硬件組成[2，3]主要是指控制系統(tǒng)、動(dòng)力單元以及圖像傳輸單元所涉及的硬件部分。主要包括電源供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線傳輸收發(fā)模塊、主控制器模塊、繼電器模塊、圖傳模塊等相關(guān)模塊。

機(jī)器人的主控制器選用32位微處理器? STM32F103VET6[4，5]，其工作主頻為72 MHz，該款處理器功耗低，處理速度快，自帶的多路PWM輸出單元便于對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，能夠滿足雙電機(jī)快速差速運(yùn)動(dòng)的需要，自帶高速的IIC、SPI接口控制器，方便于外部設(shè)備進(jìn)行通信，自帶的AD采集通道便于實(shí)現(xiàn)各種模擬量的采集。

電源部分采用12V ，7.4V等電壓等級(jí)的可充電電池為系統(tǒng)供電，還配有二路電壓轉(zhuǎn)換模塊對(duì)7V電壓源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分別得到3.3V，5V的電壓為STM32控制板、繼電器組、遙控器接收機(jī)、圖傳模塊提供電源。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用7V-48V60MA寬電壓大功率無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器HS-6026，該款驅(qū)動(dòng)器具有以下功能特點(diǎn)：

（1） 小尺寸

（2） 多重保護(hù)，內(nèi)置過電壓、欠電壓、過熱保護(hù)電路

（3） 控制信號(hào)全隔離，充分兼容? 3-5V電壓輸入

（4） 大功率，無須再加散熱處理，即可驅(qū)動(dòng)? 60MA電機(jī)負(fù)載

（5） 高速PWM隔離輸入，最小脈沖寬度3us，隔離帶寬10MHz

（6） 支持滿占空比輸入，可脫離MCU，實(shí)現(xiàn)外部開關(guān)直接控制，可串聯(lián)限位開關(guān)

（7） 具有紅藍(lán)雙色轉(zhuǎn)向指示燈指示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。

（8） MCU與電機(jī)驅(qū)動(dòng)完全電氣隔離，使MCU電磁兼容性能大大提高，其次還可保證控制電路的電氣安全，即使出現(xiàn)嚴(yán)重的短路過壓等情況，也不用擔(dān)心MCU被竄入高壓而燒毀，同時(shí)具有良好的控制穩(wěn)定性。

下圖2給出了該模塊與電機(jī)和控制之間的連接示意圖：

無線傳輸單元是人機(jī)協(xié)同工作的重要環(huán)節(jié)，該部分主要由遙控接收機(jī)、遙控器，接收機(jī)通道選擇器等硬件組成，通道選擇器選用74ls151八選一通道選擇器實(shí)現(xiàn)，主要是為了節(jié)省控制器管腳?？刂破鞫〞r(shí)切換選擇器的輸入通道，并檢測(cè)輸出通道的脈寬決定接收機(jī)接收到的是哪一路遙控信號(hào)。

圖像傳輸單元是為了能夠協(xié)助機(jī)器人操控人員快速、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)水面垃圾而設(shè)置的，采用ov7670攝像頭配合圖傳發(fā)射器，完成水面垃圾搜索任務(wù)，通過舵機(jī)控制攝像頭轉(zhuǎn)角，可以完成360度、半徑為2-3米范圍內(nèi)的水面垃圾搜索，ts832圖傳系統(tǒng)具有重量輕、體積小、方便安裝等特點(diǎn)，具有5.8G九百多個(gè)發(fā)射機(jī)頻道，支持12V電壓供電，圖像清晰準(zhǔn)確，圖像實(shí)時(shí)顯示在遙控器外接的顯示屏上，方面操作人員實(shí)時(shí)觀測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分圍繞水面垃圾清理機(jī)器人的主要功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，該機(jī)器人的主要功能結(jié)構(gòu)如下圖3所示：

在圖3所示的功能結(jié)構(gòu)中，姿態(tài)調(diào)整和遙控器信號(hào)接收與理解是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，姿態(tài)調(diào)整主要借助M6050陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體受水面風(fēng)浪影響造成的傾斜變化情況，由控制器自行控制電機(jī)加減速調(diào)整船體平衡。經(jīng)實(shí)測(cè)，雙船體結(jié)構(gòu)在風(fēng)浪較大時(shí)主要發(fā)生前后向傾斜，本文在該部分功能實(shí)現(xiàn)上主要完成前后傾斜調(diào)整。

遙控器信號(hào)接收與理解是機(jī)器人與操作者相互配合工作的重要功能，該功能的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)遙控器各個(gè)通道信號(hào)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作的定義，下表給出了遙控器相關(guān)通道與機(jī)器人動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由圖3給出的功能結(jié)構(gòu)及表一所示的分解動(dòng)作，可以看出為了讓機(jī)器人在工作中保證各項(xiàng)動(dòng)作的流暢性，需要機(jī)器人能夠準(zhǔn)確有效的理解遙控信號(hào)，并快速做出響應(yīng)，為此在開發(fā)中，本文采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[6]作為基礎(chǔ)軟件平臺(tái)，根據(jù)圖三所示的功能結(jié)構(gòu)把垃圾清理機(jī)器人的各項(xiàng)工作劃分為五個(gè)基本任務(wù)，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一對(duì)這五個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)度，相互配合完成表一所示的各項(xiàng)動(dòng)作。

其中，遙控信號(hào)的接收與理解作為系統(tǒng)應(yīng)用層的核心任務(wù)OSSignalCapture（），該任務(wù)定時(shí)切換與遙控接收機(jī)連接的數(shù)據(jù)選擇器的輸入通道，完成相應(yīng)通道信號(hào)的掃描，根據(jù)表一確定的協(xié)議，向相關(guān)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的任務(wù)發(fā)送消息。運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)OSMotionCtr（）接收OSSignalCapture（）發(fā)送來的消息，并根據(jù)消息內(nèi)容決定機(jī)器人的前進(jìn)后退，左右轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，消息內(nèi)容中除包含動(dòng)作方向信息還包含動(dòng)作大小信息，OSMotionCtr（）任務(wù)根據(jù)動(dòng)作大小信息調(diào)整PWM脈寬，從而達(dá)到調(diào)節(jié)動(dòng)作大小的目的。

垃圾回收器是指圖一所示的履帶式垃圾輔助收集機(jī)構(gòu)，該輔助裝置一方面在機(jī)器人收集垃圾時(shí)通過向內(nèi)運(yùn)動(dòng)使水面形成渦流，加速垃圾進(jìn)入垃圾艙從而對(duì)垃圾進(jìn)行“吸收”，另一方面，在機(jī)器人到岸邊排放垃圾時(shí)通過向外運(yùn)動(dòng)把垃圾艙內(nèi)的垃圾快速從垃圾艙中排出。該裝置的控制由任務(wù)OSGarbCtr（）負(fù)責(zé)，該任務(wù)接收來自O(shè)SSignalCapture（）發(fā)給本任務(wù)的消息，并對(duì)消息進(jìn)行解析，完成相關(guān)動(dòng)作。

垃圾回收艙推桿的主要功能是當(dāng)機(jī)器人開始回收垃圾前擴(kuò)充回收艙容量，收滿垃圾到岸邊排出時(shí)協(xié)助將垃圾推出艙外，由于該裝置的控制也由OSGarbCtr（）負(fù)責(zé)。

攝像頭方位調(diào)整由任務(wù)OSCamCtr（）負(fù)責(zé)，該任務(wù)一樣接收來自O(shè)SSignalCapture的消息。

機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整任務(wù)OSStateJust（）是一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，該任務(wù)定時(shí)由調(diào)度器調(diào)度運(yùn)行，通過讀取陀螺儀的值判斷自身的姿態(tài)，并通過控制機(jī)器人本體旋轉(zhuǎn)方向?qū)ψ藨B(tài)做簡(jiǎn)單調(diào)整。

4 結(jié)束語

結(jié)合上述設(shè)計(jì)制作，通過對(duì)水面垃圾清理機(jī)器人的調(diào)試，證實(shí)了此款水面垃圾清理機(jī)器人功能結(jié)構(gòu)是合理的。采用穩(wěn)定的雙船體結(jié)構(gòu)，整個(gè)船體輕盈靈活，無須浪費(fèi)大量能源，雙體船可以在承受較大風(fēng)浪的前提下仍能穩(wěn)定工作，較大的寬度，使得各設(shè)備能夠合理有效的布置。船體前端和后端均采用流線型結(jié)構(gòu)，可以盡可能地減小水流阻力，減少能源的浪費(fèi)。采用鐵絲網(wǎng)手工制作的垃圾收集箱，方型結(jié)構(gòu)。機(jī)器人工作時(shí)，一次性可收集最多0.01m2體積的垃圾，容量大可快速更換。加上船體前端安裝有垃圾輔助收集的履帶傳動(dòng)裝置，從而方便帶動(dòng)垃圾進(jìn)入后方收集箱內(nèi)，保證了垃圾收集的效率。選用32位微處理控制器STM32F103VET6作為主控芯片，通過串口接收天地飛遙控設(shè)備發(fā)出的脈寬進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。遠(yuǎn)程無線遙控只需一位人員便可完成一系列工作，節(jié)約了勞動(dòng)力、提高了效率，安裝有圖像傳輸系統(tǒng)，保證了遠(yuǎn)距離情況下能夠精準(zhǔn)快速地將垃圾收集。該水面垃圾清理機(jī)器人采用12V、7V 2200mA鋰電池供電，節(jié)能減排，如果工作時(shí)間長(zhǎng)可換大容量電池。通過這些特性可以看出，該機(jī)器人可以取代傳統(tǒng)的人工清理，利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)便能實(shí)現(xiàn)理想的功能，很適合應(yīng)用推廣，是一款適合小型水面垃圾清理的實(shí)用型機(jī)器人。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李慶春，高軍偉，謝廣明，許恩江.基于模糊控制的仿生機(jī)器魚避障算法[J].兵工自動(dòng)化，2011（12）.

[2] 梁藝鳴.電響應(yīng)軟體機(jī)器人及驅(qū)動(dòng)模塊力學(xué)研究[D].浙江大學(xué)，2018.

[3] 周林.一種新型尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2017.

[4] 劉火良.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[5] 李劍鋒.基于STM32的航空用射頻識(shí)別讀卡器軟件關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)[D].天津大學(xué)，2012.

[6] 任哲，樊生文.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)ucOS-Ⅱ和Linux[M].2版.北京航空航天大學(xué)出版社，2011.