智能水面監(jiān)測(cè)清理設(shè)備的研制

李天翔　周海燕　謝深炎　韋榮　葉慧玉　石仗

摘要：近幾年，我國(guó)水域污染問(wèn)題不容樂(lè)觀，各處水域垃圾漂浮現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。目前，水域垃圾的清理方式大多采用水面人工打撈與機(jī)械清理為主，成本也相對(duì)較高。為此，我們將設(shè)計(jì)一種水面清理船，使用風(fēng)光清潔能源發(fā)動(dòng)，既能進(jìn)行水域水質(zhì)的監(jiān)看、水域污染度的監(jiān)測(cè)以及垃圾的自主化清理，并且能通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將清理船搜尋到的信息、水域的情況以及自身的狀態(tài)信息傳回地面站，可通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)查看清理船的狀態(tài)信息，了解分析水面狀況;并且地面站能設(shè)置遙控和自動(dòng)巡航兩種模式，可實(shí)現(xiàn)清理船的自動(dòng)巡航、一鍵返航等眾多功能。

關(guān)鍵詞：水面清理;水域檢測(cè);無(wú)線傳輸;自動(dòng)巡航

中圖分類號(hào)：TN873 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）15-0261-02

Abstract： In recent years， the problem of water pollution in China is not optimistic， and the phenomenon of garbage floating in various waters can be seen everywhere. At present， the cleaning methods of waters in the waters are mostly based on manual salvage and mechanical cleaning， which is more costly. To this end， we will design a surface cleaning vessel that uses wind and clean energy to launch， monitor water quality，monitor the pollution of the waters， and autonomously clean up the garbage. It can also clear the information and waters found by the ship through wireless data transmission. The situation and its own state information are transmitted back to the ground station， and the status information of the cleaning ship can be viewed in real time through the mobile terminal to understand the analysis of the water surface condition; and the ground station can set two modes of remote control and automatic cruise， which can realize many functions such as returning the keys and automatic cruise of the cleaning ship.

Key words： water surface cleaning; water area detection; wireless transmission; automatic cruise

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)水平的日益增長(zhǎng)，國(guó)人對(duì)生活品質(zhì)的追求也越來(lái)越高。但是在發(fā)展生產(chǎn)力的同時(shí)，環(huán)境也受到了一定的污染，我國(guó)水域垃圾漂浮現(xiàn)象日益嚴(yán)峻。漂浮垃圾在各大水域都已隨處可見(jiàn)，這不僅危害居民的身心健康，而且影響了生態(tài)景觀。

漂浮垃圾主要漂浮在水庫(kù)、河道、湖泊和近海等水域。這類廢棄物在危害環(huán)境的同時(shí)還影響著市容市貌。漂浮垃圾主要來(lái)源包括塑料袋、飲料罐等各類生活垃圾，其中以游客在游船上拋棄的垃圾和大風(fēng)把陸地上的塑料垃圾吹進(jìn)海域?yàn)橹鳌?/p>

目前，處理水域垃圾的方式比較單一，主要由機(jī)械清理或水面人工打撈清理。機(jī)械清理主要利用水面垃圾清理船，這種方式適用于大面積的水面漂浮垃圾區(qū)域，其主要優(yōu)勢(shì)是工作效率高，能清理大面積海域，能夠處理的垃圾量大。但與此同時(shí)的是，這種船只耗油，可能會(huì)對(duì)水域帶來(lái)一定程度的污染，如果進(jìn)行二次治理的話，比較耗費(fèi)財(cái)力。并且傳統(tǒng)的垃圾清理船難以清理過(guò)于分散的漂浮垃圾，這種水域也成了清理難點(diǎn)。因此在這種水域，人們通常采用水面人工打撈清理方式，而這種方式的成本也并不低。且不同水域的工作環(huán)境也不盡相同，在條件好點(diǎn)的水域，工人駕駛船只進(jìn)行打撈。而對(duì)于條件差的水域，由于水勢(shì)相對(duì)兇險(xiǎn)，清潔工人通常只能在河道邊進(jìn)行打撈。在手工打撈方式下，清潔工人一般通過(guò)簡(jiǎn)易的垃圾打撈設(shè)備來(lái)打撈垃圾，所以通常不能對(duì)水域進(jìn)行完整清理。而且有些垃圾已經(jīng)開(kāi)始腐爛，刺鼻的臭味會(huì)使清理工人難以忍受。

水域垃圾清理人工成本較大且危險(xiǎn)，基于這種現(xiàn)狀，非常有必要開(kāi)發(fā)一種可控、操作性強(qiáng)的水面機(jī)器人來(lái)用于各種水域漂浮垃圾的清理，這類水面機(jī)器人具有十分重要的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 國(guó)內(nèi)外狀況

水面清理船作為較為普遍使用的水面清理工具，最早在發(fā)達(dá)國(guó)家使用。國(guó)外相關(guān)技術(shù)比我國(guó)成熟，多個(gè)系列的清理船已逐漸成為國(guó)外治理水域，保護(hù)水域的主要設(shè)備。

國(guó)外在這方面做得比較好的有美國(guó)、土耳其、西班牙、意大利等國(guó)家。美國(guó)UMI公司研發(fā)的 dtrashCat系列清理船利用導(dǎo)流們、傳送帶、船艉傳送帶進(jìn)行垃圾打撈。意大利GLOBECO公司研發(fā)的Dolphin生態(tài)清理船能夠處理多種垃圾的收集，其中包括對(duì)大件垃圾、化學(xué)溢出物和泄露油的收集，同時(shí)它具有水體氧化處理以及探測(cè)和消防功能。它采用流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可用在近海使用。

在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)也生產(chǎn)出了一批較高質(zhì)量的水面清理船。中國(guó)船舶重工集團(tuán)所研發(fā)的清漂1號(hào)采用了多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)。它專為電站而設(shè)計(jì)，清潔水面使電站安全運(yùn)行。它有非常大的存儲(chǔ)空間保存垃圾，能夠一次性清理和轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾，可以不分晝夜工作，有較強(qiáng)的續(xù)航能力。中國(guó)船舶重工集團(tuán)、上海水域環(huán)境開(kāi)發(fā)有限公司、上海海事大學(xué)共同研發(fā)的“世紀(jì)之光”號(hào)水面清潔船，使用先進(jìn)的嵌入式技術(shù)，采用電動(dòng)力，同時(shí)該船配有GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。上海理工大學(xué)研發(fā)的水面清潔機(jī)器人可以采集圖像，遠(yuǎn)程遙控操作。此外，還有上海電氣集團(tuán)研制的GC2230星河道割草船等。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)外的清理裝置不僅設(shè)備相對(duì)先進(jìn)，使用壽命普遍長(zhǎng)，而且功能全面，自動(dòng)化程度高。搭配GPS定位和對(duì)水況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠比較好地處理緊急情況，并且使用相對(duì)較少的人力成本便可完成清潔工作。相比國(guó)外，我國(guó)清潔船發(fā)展特點(diǎn)是起點(diǎn)高，發(fā)展快，直接向智能化發(fā)展。而且具有成本低，日常維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，因此在出口國(guó)外也具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。但是國(guó)內(nèi)大部分的水面清理船都存在著船體太小，只能清理小體積漂浮垃圾;動(dòng)力不足，清理時(shí)長(zhǎng)和垃圾量都很有限【1】;可控性差，基本上都是基于嵌入式系統(tǒng)，沒(méi)有通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，無(wú)法自動(dòng)搜索和巡航，沒(méi)有較好的圖像識(shí)別系統(tǒng)，無(wú)法在復(fù)雜河道中自主避障等缺陷。為了更好清理水面垃圾，我們選擇研發(fā)自主清理，可傳輸控制的智能“水面清理員”。

3 智能“水面清理員”的總體設(shè)計(jì)

智能“水面清理員”的運(yùn)動(dòng)通過(guò)左右兩個(gè)對(duì)稱的推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)，并可以通過(guò)兩個(gè)推進(jìn)器的不同轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)“水面清理員”方向的控制。再用GPS實(shí)現(xiàn)清理船更準(zhǔn)確的定位。通過(guò)船上的風(fēng)力和光電發(fā)生器，風(fēng)電等清潔能源可以轉(zhuǎn)為電能供清理船航行。使用前可選擇可控或自動(dòng)兩個(gè)模式。遙控時(shí)：“水面清理員”通過(guò)電子設(shè)備作為遙控終端進(jìn)行操作，遙控終端通過(guò)WiFi跟水面清理船通信，實(shí)現(xiàn)清理船的前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎，后退等操作;自動(dòng)巡航模式下：清理船按照規(guī)劃航跡自動(dòng)航行，此外，智能“水面清理員”通過(guò)攝像頭模塊實(shí)時(shí)采集水面信息傳回到地面站終端，以便實(shí)時(shí)觀察水域狀況，自動(dòng)進(jìn)行垃圾處理[2]。

關(guān)鍵功能指標(biāo)：

（1）能監(jiān)測(cè)水域污染度以及自主化清理;

（2）能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，信息傳回地面站;

（3）具有地面站設(shè)置遙控和自動(dòng)巡航兩種模式;

（4）能太陽(yáng)能、風(fēng)能充電;

（5）具有巡航記錄。

4 軟硬件設(shè)計(jì)

智能水面清理船控制系統(tǒng)主要完成了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。首先對(duì)系統(tǒng)總體方案進(jìn)行分析，接著完成了系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊選型，包括移動(dòng)電源、GPS 模塊、 攝像頭、推進(jìn)器、舵機(jī)等。系統(tǒng)中的具體硬件電路設(shè)計(jì)包括中心控制器、系統(tǒng)電源電路、串口通信電路、USB 接口電路、信號(hào)采集電路等【3】;系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括平臺(tái)搭建、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、 無(wú)線傳輸以及電機(jī)控制等組成。對(duì)系統(tǒng)中的 ADC、PWM 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)，包括對(duì) GPS 信號(hào)采集，電池電量 AD 信號(hào)采集、陀螺儀信號(hào)采集，同時(shí)完成了視頻與數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸程序設(shè)計(jì)。對(duì)圖像使用均值漂移（ Meanshift） 濾波平滑算法，盡可能減小波紋的干擾; 使用灰度模型與最大類間方差（ OTSU） 法分割水面目標(biāo)【4】，抑制光照不均。航行過(guò)程中，運(yùn)用清潔能源如風(fēng)力、光等循環(huán)利用，延長(zhǎng)清理船航行時(shí)間，并保護(hù)了水質(zhì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目基于水面垃圾清理船只，設(shè)計(jì)智能“水面清理員”。

通過(guò)多對(duì)一的終端模式實(shí)現(xiàn)地面站對(duì)水面清理船做出操作指示，并通過(guò)WiFi無(wú)線通信，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率及可靠性，采用均值漂移（ Meanshift） 濾波平滑算法、灰度模型與最大類間方差（ OTSU） 法等，高效地解決了水面漂浮物識(shí)別和分類，利用水面清理船攜帶的攝像機(jī)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳回圖像，由地面站終端處理信息并反饋結(jié)果。應(yīng)用高精度導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)巡航，并記錄航行路線，對(duì)垃圾重災(zāi)區(qū)反復(fù)清理?；谌致窂絻?yōu)化和反饋地形匹配的路徑追蹤算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的操作、規(guī)避障礙。

參考文獻(xiàn)：

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