一種仿生海洋垃圾清道夫裝置的研究

鄒吉城，張麗娜，陳雨涵，費靚月，趙子豐，陸家寶，閆薪宇，崔　賀，張家駱，董紹富

一種仿生海洋垃圾清道夫裝置的研究

鄒吉城，張麗娜*，陳雨涵，費靚月，趙子豐，陸家寶，閆薪宇，崔賀，張家駱，董紹富

(沈陽工學院機械工程與自動化學院遼寧 撫順 113122)

以海洋生物為仿生模型，結(jié)合CCD視覺系統(tǒng)、垃圾收集裝置、垃圾粉碎壓塊裝置和垃圾處理裝置設計了一款海洋垃圾清道夫裝置，可以自主完成海洋垃圾的清理、收集作業(yè)。該款海洋垃圾清道夫裝置具備垃圾清理量大、功能豐富等特點，并且造價親民，符合實際作業(yè)需求，如果大量投放市場，可以有效緩解海洋污染日益嚴重的問題。

生物仿生；CCD視覺系統(tǒng)；Arduino板控制；垃圾處理室

1　研究背景

保護海洋環(huán)境的意義重大，是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎，也是保障我國經(jīng)濟增長的關鍵因素。我國海洋經(jīng)濟的高速發(fā)展雖然極大地推動了我國經(jīng)濟的進步，但是海洋生態(tài)環(huán)境卻越來越惡劣，其中海洋垃圾對環(huán)境造成破壞的問題顯得尤為突出。傳統(tǒng)的海洋清潔機器人多采用螺旋槳作為推進器，存在重量和體積大、可靠性差、作業(yè)效率低、反應不夠靈敏、靈活性差、在運行中有較大的噪音和尾渦等諸多缺陷。魷魚類海洋生物的游動方式具有高速、高效、靈活、低噪等特點，目前任何裝備傳統(tǒng)操縱系統(tǒng)的潛航器都無法相比。仿生海洋機器人技術是基于仿生學原理，通過分析和研究魷魚類海洋生物的游動特征，利用電子設備、功能材料和機械結(jié)構來模仿魷魚類海洋生物的推進方式。仿生海洋機器人在水下救援、水下探測和軍事等領域都得到了大規(guī)模應用，已經(jīng)成為水下機器人的重要研究方向之一。

2　海洋垃圾清道夫的總體設計

海洋垃圾清道夫大體可以分為5個部分:底部緩沖系統(tǒng)、垃圾收集系統(tǒng)、障礙探測傳感器、動力驅(qū)動系統(tǒng)、垃圾收集倉，各部分功能如下。

(1)考慮到海底地形的復雜性，海洋垃圾清道夫底部采用富有彈性的結(jié)構，當清道夫在水底受到阻力或擾動失衡時落地能得到緩沖，可更好適應海洋底部的復雜地形，提高清道夫工作的穩(wěn)定性；底部結(jié)構的空余空間用于存放浮力材料，增加海洋垃圾清道夫整體的浮力，可以防止因本體過重引發(fā)的沉底現(xiàn)象；障礙探測傳感器位于設備主體前下方，裝備具有觸覺功能的探測頭，以防止主體與巖石或其他非漂浮物體相撞。

(2)海洋垃圾清道夫的整體外形設計為流線形，既有利于主體密封，也能減小海水的阻力；由于本體由驅(qū)動葉輪提供動力，可使漂浮污染物隨水流由前方經(jīng)本體中間空腔進入后方污物倉，完成污物收集作業(yè)。

(3)海洋垃圾清道夫使用CCD視覺系統(tǒng)，由兩個電機分別控制CCD攝像頭的兩個獨立轉(zhuǎn)動自由度，使CCD 始終處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，根據(jù)CCD指示的水平角、俯仰角和軸向轉(zhuǎn)角偏移量分別進行修正；同時由步進電機帶動CCD實現(xiàn)水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，可以得到同一物體的兩幅不同圖象，由此來測量距離；根據(jù)探測到的信息推測出是否為漂浮物以及漂浮物的大小與距離，再由中央控制器作出是否收集的決定以及規(guī)劃出收集的最佳路徑。

(4)海洋垃圾清道夫的動力源為蓄電池，通過葉輪的轉(zhuǎn)動來調(diào)整前進方向。

(5)垃圾收集倉用于暫時存放垃圾。

此外，海洋垃圾清理清道夫還具有以下功能：①電源測試功能，每隔一定時間對電源電壓進行測試，若低于安全值，可以自動返回充電；②可以預先設定返回時間，在到達預定時間后，可自行返回；③具有自主學習功能，能夠通過傳感器探測到的環(huán)境信息，建立工作環(huán)境模型，當外部環(huán)境發(fā)生改變時，能夠重新學習[1-3]。

3　海洋垃圾清理清道夫系統(tǒng)運作原理

工作人員通過操作一個大的封閉環(huán)系統(tǒng)完成海洋垃圾清道夫的作業(yè)。在這個封閉環(huán)系統(tǒng)中，中央控制系統(tǒng)是整個清道夫的神經(jīng)中樞，負責協(xié)調(diào)整個海洋垃圾清道夫的運作；CCD攝像頭將執(zhí)行機構的執(zhí)行結(jié)果通過視覺系統(tǒng)反饋至中央控制器，中央控制器再根據(jù)具體情況不斷調(diào)整執(zhí)行命令，使整個設備能夠順利工作，完成既定的任務。

4　系統(tǒng)結(jié)構

海洋垃圾清道夫系統(tǒng)硬件結(jié)構主要由兩部分構成。

(1)中央控制系統(tǒng)由Arduino板控制。在海洋垃圾清道夫的電氣控制系統(tǒng)中，通過Arduino板來控制整個系統(tǒng)及驅(qū)動單元、執(zhí)行機構等。設備在作業(yè)中可通過Arduino板、障礙探測傳感器、馬達和其他的裝置來感知環(huán)境。Arduino板上的微控制器可以通過Arduino編程語言編譯成二進制文件，收錄進微控制器，以此來執(zhí)行設備的操作過程。

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(2)電氣部分。主要由控制CCD攝像頭兩個轉(zhuǎn)動自由度的電機，相關的驅(qū)動電路和控制電路單元組成。電機控制部分由單片機完成，視覺前置處理部分由FPGA完成；兩個電機分別控制攝像頭左右轉(zhuǎn)動、軸向轉(zhuǎn)動和水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。海洋垃圾清道夫在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動主要是為了能使攝像頭跟蹤目標物體，保證目標物體始終處于CCD的視野范圍內(nèi)。

5　海洋垃圾清道夫視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)是否穩(wěn)定直接關系到接收跟蹤目標的信息是否完整。由于海洋垃圾清道夫在海水中作業(yè)時易受到自然環(huán)境或人為因素干擾，導致主體發(fā)生顛簸、轉(zhuǎn)動等情況，因此需要配置視覺伺服跟蹤系統(tǒng)來解決這一問題。

計算機視覺研究相關的理論和技術是試圖建立能夠從圖像或者多維數(shù)據(jù)中獲取“信息”的人工智能系統(tǒng)，是指用攝影機和電腦代替人眼實現(xiàn)對目標的識別、跟蹤和測量，并進一步做出圖形處理，使之生成更適合人眼觀察或傳送給儀器檢測的圖像。設備在海底作業(yè)時，由于光線變化較大，會讓攝像頭的成像產(chǎn)生一定的誤差。為了使誤差降到最低，可以在CCD成像的基礎上設計一種聲納接收裝置，以便測出目標物的距離和大小，從而讓中央控制系統(tǒng)能夠更加清晰地判斷出污染物的具體位置。

通過聲納系統(tǒng)還可以對污染物進行分類檢測，通過深度學習算法和聲學傳感器，可以將垃圾與海洋動植物區(qū)分開來，再使用仿生魷魚爪的抓取器和抽吸設備收集檢測到的垃圾，將其收集到垃圾收集倉[4-5]。

6　垃圾收集后的處理

海洋垃圾清道夫內(nèi)部設有垃圾處理室，由外壁、底盤、底板和攪刀組成。在垃圾處理室底盤的側(cè)壁上開有錐形的小孔，突起部分朝向處理室底盤的內(nèi)表面，可以起到加速垃圾破碎的作用；處理室底盤的底部開有小孔，用來過濾處理后的垃圾；對于不可處理的垃圾則帶回集中處理。垃圾處理室的一些關鍵部件要選擇既耐腐蝕、不生銹，又有一定的硬度和剛度的材料，同時還要考慮其機械的工作效率和經(jīng)濟性。為增強垃圾處理室鋼材的抗腐蝕能力，可以在鋼材中加入Cr元素，能顯著提高鋼材的抗氧化作用并提高鋼材的強度和耐磨性，從而能顯著提高鋼材的力學性能、物理性能、化學性能，處理室底板及攪刀的材料可選用1Cr13不銹鋼[6]。

7　設計創(chuàng)新點

(1)海洋垃圾清道夫裝置的結(jié)構參照魷魚類生物仿生模型設計，具有高速、高效、低污染、低成本等特點。

(2)清潔功能更實用，更有針對性。

(3)操作更加簡單便捷。

(4)對整體部件的選材進行了優(yōu)化，可抵抗深海水壓，防止主體破碎。

(5)造價親民，符合實際需求，適用于多數(shù)企業(yè)。

(6)解決了傳統(tǒng)清潔器性能單一的問題。

8　總結(jié)

以魷魚類海洋生物為仿生模型，設計了一款海洋垃圾清道夫裝置。該裝置模仿魷魚的游動特性，可順利實現(xiàn)垃圾的抓取、收集，并可在機器內(nèi)部完成粉碎壓塊。試驗證明，該裝置堅固耐用、操作簡單、功能多樣、價格親民、作業(yè)效率高，有廣闊的市場應用前景。

[1] 陳金言,李俊杰,仝金濤,等.一種面向水下植被監(jiān)測的仿生海龜設計[J].林業(yè)機械與木工設備,2022,50(3):52-55.

[2] 陳蘇明,高正創(chuàng),王若愚,等.基于圖像識別的仿生機械臂研究[J].信息與電腦(理論版),2020,32(5):116-118.

[3] 陳良,趙舶彤.基于神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的仿生機械臂控制系統(tǒng)[J].科學技術創(chuàng)新,2019(23):82-83.

[4] 唐代飛.CCD圖像傳感器工藝控制監(jiān)控單元的設計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學,2021.

[5] 張昕辰.一種深海探測仿生魚機械結(jié)構:CN215826955 U[P].2022-02-15.

[6] 王雄鷹,王冬陽.一種全能小型一體式垃圾處理機: CN211345323U[P].2020-08-25.

Research on a bionic scavenger for marine garbage

ZHOU Jicheng, ZHANG Lina*, CHEN Yuhan, FEI Liangyue, ZHAO Zifeng, LU Jiabao, YAN Xinyu, CUI He, ZHANG Jialuo, DONG Shaofu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Shenyang Institute of technology, Fushun,Liaoning 113122, China)

A marine debris cleaning scavenger machine is designed, which can independently complete the cleaning and collection of marine debris. This device is based on marine organisms as a bionic model, combined with a CCD vision system, garbage collection device, garbage crushing and briquetting device, and garbage disposal device. This marine debris cleaning scavenger machine has the characteristics of a large amount of garbage cleaning and rich functions, which meets the actual operation needs and has a low cost. If the device is put on the market in large quantities, it can effectively alleviate the increasingly serious problem of marine pollution.

bionics; CCD vision system; Arduino board control; garbage disposal room

TB17

A

2096–8736(2022)03–0046–03

鄒吉城（2000—），男，遼寧鞍山人，大學本科，主要研究方向為機械設計制造及其自動化。

通信作者：張麗娜，女，遼寧沈陽人，副教授，主要研究方向為模具設計、材料表面工程。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：唐琦軍