基于單片機的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設計

王穩(wěn)， 張建偉， 馬燕飛， 張雷， 林金陽， 路萬鵬

（浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山316022）

關鍵字：泥質(zhì)海岸；清理船；智能化；單片機

0 引 言

我國淤泥質(zhì)海岸灘涂總面積超過217 萬公頃，其主要位于遼寧、山東、臺灣、海南及江浙一帶等海濱地帶。此區(qū)域內(nèi)適合養(yǎng)殖和旅游等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但由于垃圾的污染問題，使得目前大面積的淤泥海岸無法得到有效利用。在浙江省內(nèi)，如舟山、寧波等旅游城市，海岸垃圾更是成為影響市容市貌的原因之一；此外，浙江省內(nèi)海漂垃圾污染情況最嚴重的地區(qū)為寧波象山縣石浦皇城，2015年該地區(qū)每平方公里岸灘上分布有329 000余個垃圾。另外，海岸垃圾由于潮汐作用會進入海洋，而海洋垃圾污染問題正成為各國政府廣泛關注的環(huán)保問題之一，海洋垃圾不僅對海洋生態(tài)造成了破壞，而且白色垃圾所產(chǎn)生的有害物質(zhì)，如塑料顆粒已經(jīng)在各類海洋動物體內(nèi)被檢測出來，這已危及人類自身。因此，目前解決海岸垃圾污染問題是必要的，這不僅僅是為了保護生態(tài)環(huán)境，更是為人類的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。本文主要根據(jù)現(xiàn)有淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船結(jié)構(gòu)設計的控制部分進行探究[1-2]，提出了基于單片機的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設計，以完善裝置設計，實現(xiàn)清理船工作的智能化。

1 淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船

2016-2018年《中國海洋環(huán)境狀況公報》的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出：我國海灘垃圾平均個數(shù)在2017年有明顯降低，2018年又略有升高，海灘垃圾平均密度逐年降低，但塑料類垃圾占比逐年升高，由此可以看出，目前我國針對海岸垃圾處理的效果并不顯著[3-5]。海岸垃圾隨潮汐進入海洋，又會對海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞，污染極大。

本文所設計的控制系統(tǒng)是在淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船的基礎上實現(xiàn)的，船體結(jié)構(gòu)如圖1所示。清理船由船頭、船尾、船身組成，其中垃圾收集機構(gòu)由耙釘型傳送帶和垃圾掃板組成；垃圾輸送機構(gòu)由輸送傳送帶實現(xiàn)；垃圾淤泥分離機構(gòu)由攪拌桿、儲水艙、噴頭和輸送泵組成；垃圾取出機構(gòu)由垃圾儲存框、螺桿和限位板組成，以上4種機構(gòu)構(gòu)成了淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船的主體結(jié)構(gòu)[1-2]。

表1 2016-2018年中國海灘垃圾污染狀況

2 設計方案

本文所設計的系統(tǒng)可實現(xiàn)智能巡航模式、自主巡航模式、遙控模式、自動返航。智能巡航模式適用于作業(yè)區(qū)域內(nèi)垃圾分布零散、數(shù)量少的情況，通過垃圾定位系統(tǒng)，待清理船運動至垃圾前方時啟動垃圾收集機構(gòu)及垃圾淤泥分離機構(gòu)，清理完畢后停止機構(gòu)運行，以降低能耗，提高清理船續(xù)航能力。自主巡航模式適用于作業(yè)區(qū)域內(nèi)垃圾分布密集、數(shù)量多的情況，垃圾收集及垃圾淤泥分離機構(gòu)持續(xù)運行，在清理船巡航的過程中將沿途垃圾進行清理，有效提高清理船的垃圾清理效率。遙控模式適用于清理船自動控制失效的情況，在清理船出現(xiàn)系統(tǒng)故障，或裝置本身發(fā)生故障時，可通過遙控模式實現(xiàn)清理船的手動返航。自動返航工功能，根據(jù)垃圾儲存框下安裝的質(zhì)量傳感器實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)清理船垃圾存儲量達到上限時的自動返航?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 清理船三維圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 清理船控制系統(tǒng)設計

3.1 主控系統(tǒng)

為實現(xiàn)清理船上述功能，本設計采用Arduino Uno R3作為主控單片機，該單片機由歐洲科研人員開發(fā)，以ATmenga 328p AU為內(nèi)核，時鐘頻率為16 MHz，F(xiàn)lash內(nèi)存32 kB，數(shù)字引腳口0～13，模擬引腳口A0～A5，默認輸入信號0～5 V。單片機工作電壓為5 V，最大電流40 mA，可用USB供電或用外接7～12 V的直流電源供電。單片機的使用需下載Arduino IDE軟件安裝于電腦，軟件安裝后雙擊點開，進行開發(fā)環(huán)境配置，插入開發(fā)板后，系統(tǒng)USB驅(qū)動自動安裝，在工具欄中選擇對應端口，再在文件欄中選擇示例，點擊Blink程序后即可進行程序編寫，操作界面中的對號表示啟動編譯，箭頭表示將程序上傳至單片機。

3.2 清理船智能巡航及自主巡航模式

由于不同工作環(huán)境下海岸垃圾的分布不同，考慮到降低清理船能耗的問題，在海岸垃圾密度小時，清理船以智能巡航模式工作，系統(tǒng)設計如圖3所示；在海岸垃圾密度大時，清理船采用自主巡航模式工作。智能巡航模式下，垃圾定位系統(tǒng)不斷檢測清理船正前方是否存在垃圾，若存在垃圾，則單片機控制垃圾收集機構(gòu)動作，當垃圾收集完畢后，垃圾收集機構(gòu)停止工作，清理船繼續(xù)巡航；自主巡航模式下，垃圾收集機構(gòu)持續(xù)動作收集垃圾，單片機控制垃圾定位系統(tǒng)停止工作。

圖3 垃圾定位系統(tǒng)圖

在垃圾定位系統(tǒng)傳感器的選擇上，常用的傳感器有紅外光電傳感器、超聲波傳感器和激光傳感器等。由于激光傳感器造價昂貴，又考慮到本設計對障礙物測距精度要求不高，因此不選用此種傳感器；超聲波傳感器實用性強，但由于超聲波束角度過大，因此只能得到簡單的與障礙物之間的距離；紅外光電傳感器只能判斷障礙物是否存在，不能確定與障礙物的距離信息。從以上分析可以看出，激光傳感器并不適用，而超聲波傳感器和紅外光電傳感器各具優(yōu)缺點，因此本設計考慮同時使用超聲波傳感器和紅外光電傳感器，輔以多傳感器信息融合技術，實現(xiàn)垃圾的定位。GPS系統(tǒng)可提前對海岸進行路徑規(guī)劃，以實現(xiàn)清理船在一定區(qū)域內(nèi)的巡航。垃圾定位傳感器參數(shù)如表2所示。

表2 超聲波模塊、紅外模塊參數(shù)表

3.3 清理船遙控模式

本文所設計的清理船控制系統(tǒng)中的遙控模式，主要是為了防止清理船自動系統(tǒng)失控后船體難以回收問題的發(fā)生。當清理船工作過程中發(fā)生自動控制失效或難以自主返航時，清理船的遙控模式可通過上位機遙控清理船返航。由于系統(tǒng)設計中上位機只需滿足遙控返航的功能，因此，為降低上位機的開發(fā)成本，本設計中選擇使用Arduino Uno R3單片機為控制中心及相應的物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊，從而可使用此系列單片機現(xiàn)有的人機交互平臺，即手機微信公眾號進入亞博智能科技，進行簡單的WIFI配置即可通過手機實現(xiàn)清理船的返航操控。其中，藍牙模塊輸入電壓為3.6～6.0 V，默認波特率為9600，信號有效傳輸距離10 m，因此，遙控模塊中需加配功率放大器。

微信公眾號配網(wǎng)步驟：1）WIFI模塊供電；2) 在WIFI模塊上，長按G按鍵，直至藍色的指示燈亮后松手；3）微信掃描相應二維碼，點擊“配置設備上網(wǎng)”；4）輸入當前無線網(wǎng)絡密碼并連接；5）進行設備的搜索掃描，點擊界面中搜索到的“Arduino套件物聯(lián)網(wǎng)控制”；6）點擊“綁定設備”，即完成配網(wǎng)。

4 垃圾收集機構(gòu)分析

為了保證清理船的垃圾收集機構(gòu)在反復工作狀態(tài)下不會發(fā)生強度失效，本文對垃圾收集機構(gòu)的關鍵部件進行應力及位移分析，以證明清理船設計的合理性，同時也為后期成品的制作提供理論依據(jù)?？紤]到淤泥海岸垃圾種類、數(shù)量及粘連淤泥等情況，設計耙釘型傳送帶，垃圾掃板主體采用鋼材。在有限元分析中，夾具作用面為傳送帶側(cè)面和垃圾掃板兩軸端，對其垃圾運輸面和垃圾掃板的板面施加載荷，獲得應力分析圖和位移分析圖，如圖4～圖7所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，傳送帶垃圾運輸面承受的最大應力遠遠低于屈服力，且位移距離極小。

圖4 傳送帶應力分析圖

圖5 傳送帶位移分析圖

圖6 垃圾掃板應力分析圖

圖7 垃圾掃板位移分析圖

5 結(jié) 語

本文中的清理船使用轉(zhuǎn)輪作為驅(qū)動裝置，使用雙直流電動機為轉(zhuǎn)輪提供動力。直流電動機帶動軸系轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動轉(zhuǎn)輪運動，通過控制電動機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)清理船的轉(zhuǎn)向。垃圾掃板及耙釘型傳送帶同樣采用直流電動機驅(qū)動。垃圾定位系統(tǒng)選用超聲波傳感器及紅外光電傳感器，通過多傳感器信息融合技術對垃圾進行精確定位。GPS系統(tǒng)可提前對海岸進行路徑規(guī)劃，以實現(xiàn)裝置在限定區(qū)域內(nèi)的巡航。質(zhì)量傳感器安裝于垃圾儲存框下，當收集到的垃圾達到設定值時，信號輸入控制中心，由單片機發(fā)出指令，控制清理船返航。同時，為防止清理船失控現(xiàn)象的出現(xiàn)，設計中增加遙控模式，采用物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊，以實現(xiàn)遠距離控制。

淤泥質(zhì)海岸清理船主要用于淤泥質(zhì)海岸的垃圾清理，也可執(zhí)行內(nèi)陸河道、湖泊水域的水面垃圾打撈收集工作，具有較強的可移植性。本文主要完善了淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船設計，提出了基于單片機的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設計。清理船設計的實現(xiàn)可有效解決海岸垃圾的污染問題，能有效促進相關海岸旅游產(chǎn)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。另外，海岸垃圾污染的治理也間接保護了海洋生物的生存環(huán)境。本文所完善的清理船設計的實施，可改善人工打撈的勞動強度，避免不明垃圾對打撈人員造成的傷害，保護打撈人員安全。