智能保潔水面機(jī)器人的研制

丁治潔

摘? 要：國(guó)內(nèi)水生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀不容樂觀，河流、河道、湖泊、水庫(kù)、景觀水域和海域漂浮物污染十分嚴(yán)重，目前基本上都是靠人工打撈作業(yè)，效率低下，安全沒有保障。本項(xiàng)目研制的水面清潔機(jī)器人是國(guó)內(nèi)首艘能在B級(jí)航區(qū)自主作業(yè)的智能裝備，已經(jīng)在黃浦江正式上崗作業(yè)。文章分析了該水面機(jī)器人的基本原理、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵，為國(guó)內(nèi)外同行提供了該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展思路和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：智能保潔;水面機(jī)器人;研制

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）07-0031-02

Abstract： The present situation of domestic water ecological environment is not optimistic. the pollution of rivers， lakes， reservoirs， landscape waters and floating objects in sea areas is very serious. At present， it is basically rely on manual salvage operations， low efficiency and no guarantee of safety. The water surface cleaning robot developed in this project is the first intelligent equipment which can operate independently in the B-class navigation area in China. it has been officially put into operation in Huangpu River. In this paper， the basic principle， structure and key of the water surface robot are analyzed， and the technical development ideas and experiences in the technical field are provided for the counterparts at home and abroad.

Keywords： intelligent cleaning; water surface robot; development

黃浦江、蘇州河（簡(jiǎn)稱一江一河）是上海市兩張靚麗的名片和標(biāo)志性空間，更是上海落實(shí)十九大精神和上海2035的重要載體。同時(shí)上海發(fā)達(dá)的水系也帶來了管理上的巨大壓力，特別是水面垃圾的清理工作量巨大，同時(shí)也影響了上海大都市的形象。上海水域環(huán)境發(fā)展有限公司擔(dān)負(fù)著上海核心景觀水域的保潔服務(wù)、船舶廢棄物和生活污水收集及水域環(huán)境專業(yè)污染防治的重任，水域保潔區(qū)域覆蓋上海的“一江一河”。目前在一江一河的清潔工作主要由垃圾清理船和人工來完成，但是對(duì)于狹窄的河道和河道夾檔卻難以清理，只能用人工和簡(jiǎn)易的打撈工具來完成，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)又影響上海的形象，如圖1所示：

綜上所述，開發(fā)一種自動(dòng)化程度高、可以遠(yuǎn)程通訊和控制、適應(yīng)上海一江一河水面垃圾特點(diǎn)的水面機(jī)器人是非常有必要的。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外在水面垃圾清理方面也有少數(shù)自動(dòng)清理無人船（清潔機(jī)器人），但是船體小、垃圾收集量小、垃圾不能太大、續(xù)航時(shí)間有限[1，2]。美國(guó)巴爾的摩港（Baltimore Harbor）的垃圾輪先生（Mr. Trash Wheel）是一種固定式的自動(dòng)清潔裝置，清潔垃圾的效率高[3]。然而上述產(chǎn)品都存在著一定的缺陷，國(guó)內(nèi)的垃圾清理無人船太小，只能清理小體積較輕的漂浮物;動(dòng)力不足，一次清理的時(shí)間和垃圾量都很有限;特別是智能化程度低，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)，沒有通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，無法運(yùn)行人工智能和復(fù)雜智能感知系統(tǒng)，例如沒有用于復(fù)雜障礙探測(cè)和識(shí)別的激光雷達(dá)或者圖像識(shí)別系統(tǒng)，無法在復(fù)雜河道中自主巡航和避障，因此只能算是初級(jí)無人船。國(guó)外的雖然可大規(guī)模清理垃圾，但是在特定的地點(diǎn)固定清理垃圾。2018年11月份，由上海城投環(huán)境下屬上海水域環(huán)境發(fā)展公司和中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所聯(lián)合研制的國(guó)內(nèi)首艘智能保潔水面機(jī)器人在黃浦江正式運(yùn)行作業(yè)，與40米水面保潔船構(gòu)成子母船保潔系統(tǒng)，用于保障進(jìn)博會(huì)期間上海市黃浦江的水面保潔任務(wù)[4]。

2 智能保潔水面機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

智能保潔水面機(jī)器人為航行于內(nèi)河B級(jí)航區(qū)（黃浦江水域）的智能裝置，主要清理水面垃圾并統(tǒng)一回收垃圾，水面機(jī)器人參數(shù)：

總長(zhǎng)：7.00m，總寬：2.30m，型深：0.88m，設(shè)計(jì)吃水：0.50m（排水量4.8噸），發(fā)電機(jī)功率：30kW，鋰電池組標(biāo)稱電量：29000Wh（29度電），經(jīng)濟(jì)航速：1-1.5m/s，最大航速：3.0m/s左右，航區(qū)：B級(jí)。

關(guān)鍵功能指標(biāo)：

（1）能自動(dòng)識(shí)別巡航路線上的障礙物并自主規(guī)劃路

徑;

（2）具備自主巡航功能，能自主優(yōu)化和決策巡航路徑;

（3）具備自主巡航、遠(yuǎn)程駕駛和遙控三種操作模式;

（4）具備4G多卡多模通信，主控計(jì)算機(jī)和嵌入式控制板雙?？刂啤?/p>

3 軟硬件設(shè)計(jì)

水面機(jī)器人分別采用遙控、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制和自主巡航三種模式，其中網(wǎng)絡(luò)采用4G多卡多模通信模塊，船載電腦和主板分別采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)雙通信冗余備份，船載電腦和主板都可以獨(dú)立進(jìn)行自主巡航，確保系統(tǒng)的可靠性。采用基于高精度北斗地圖的全局路徑優(yōu)化和三維動(dòng)態(tài)地形匹配的局部路徑追蹤無人駕駛算法，具備在狹窄河道自主巡航功能，解決無人駕駛技術(shù)中復(fù)雜水域和狹窄河道地形精準(zhǔn)匹配和動(dòng)態(tài)避障問題;船載高清攝像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水面漂浮物，通過圖像識(shí)別算法對(duì)漂浮物進(jìn)行識(shí)別和分類，解決水面復(fù)雜背景下的圖像識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)算法問題。如圖2所示：

4 性能測(cè)試與驗(yàn)證

我們對(duì)自主避障和巡航進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)：

（1）自主避障試驗(yàn)

測(cè)試方法：分別用黃浦江上的浮標(biāo)和大船進(jìn)行測(cè)試，首先測(cè)試目標(biāo)的識(shí)別，即使較小的浮標(biāo)也能準(zhǔn)確的識(shí)別，其次是距離的探測(cè)，在100米內(nèi)都能顯示在船載電腦上，浮標(biāo)的探測(cè)距離為60米左右，避障的閾值為40米，通過測(cè)試，均能探測(cè)和避開障礙，對(duì)于大船和岸邊避障效果也非常有效，如圖3所示。

（2）自主巡航試驗(yàn)

測(cè)試方法：在智能終端上操作自主巡航，在地圖上確定巡航的點(diǎn)，地圖上將自動(dòng)顯示巡航路徑，水面機(jī)器人開始巡航，并把實(shí)際路徑顯示在地圖上，通過實(shí)際路線和理論路徑間的偏差，在地圖上計(jì)算偏差，通過計(jì)算，在水流穩(wěn)定的情況下，誤差在0.5米之內(nèi)，藍(lán)色標(biāo)記為擬巡航點(diǎn)，紅色標(biāo)記為水面機(jī)器人實(shí)時(shí)位置，如圖4所示。

5 結(jié)論

綜合以上實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果，智能水面機(jī)器人通過云終端模式實(shí)現(xiàn)智能通信，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率及可靠性，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，高效的解決了水面漂浮物識(shí)別和分類，利用激光雷達(dá)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于高精度北斗地圖的全局路徑優(yōu)化和三維動(dòng)態(tài)地形匹配的局部路徑追蹤無人駕駛算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的無人遙控及動(dòng)態(tài)避障。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡孟凱，黃淑新，賀詩(shī)，等.城市小型湖泊水面智能清潔裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2018（2）：49-53.

[2]孫強(qiáng)，王莎莎，荊世翔，等.基于光伏發(fā)電技術(shù)的水上清理機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2018（14）：122-123.

[3]陳華勇，方鼎，洪錕，等.水上垃圾清理機(jī)器人[J].兵工自動(dòng)化，2018（11）：89-92.

[4]占金鋒.40m雙體全自動(dòng)水上垃圾清掃船的研制[J].江蘇船舶，2018（3）：1-3.