一種新能源水上清理船的設(shè)計(jì)

譚吉 黃自湘 柯樹浩 黃婉雯 周永恒

摘要：水中的漂浮物及水下的垃圾一直困擾著人們生活，世界各國(guó)也花費(fèi)了大量的時(shí)間、精力和經(jīng)費(fèi)去清理。針對(duì)現(xiàn)有的水上清理船功能的局限性，因此，設(shè)計(jì)出一種智能清理船，提出一種具有太陽能電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別執(zhí)行系統(tǒng)以及船體系統(tǒng)的水上智能清理船，進(jìn)行對(duì)各種河道、海灘等水域以進(jìn)行高精度遠(yuǎn)程作業(yè)，提高水面清理工作的安全性和高效性，節(jié)省人力成本。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)，智能清理船，遠(yuǎn)程作業(yè)，高效性

0.引言

近年來，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了許多水上垃圾，而且人們對(duì)美的欣賞要求越來越高，但是人工打撈這些垃圾效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，無法滿足景區(qū)的要求，所以，景區(qū)對(duì)新能源水上清理船的需求是龐大且迫切的。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

（1）該船采用雙船體結(jié)構(gòu);該船使用雙船體結(jié)構(gòu)，每個(gè)船體一個(gè)推動(dòng)機(jī)。在兩個(gè)船體間有多段連接橋連接兩個(gè)船體的結(jié)構(gòu)框架，框架中作為艙室。載艙室內(nèi)存有蓄電池、核心電路板。在連接橋上端部署信號(hào)接收裝置已接收wifi和太陽能電池板。兩船體前端各一個(gè)機(jī)器抓（清理網(wǎng)），在雙船體中間放置履帶式鏟子。這樣能清理各種大小不一的障礙物，以及面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境能輕松應(yīng)對(duì)。

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：此船采用4塊太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在4塊24V的鉛蓄電池內(nèi)，讓裝置可以更長(zhǎng)時(shí)間地工作，提高傳輸效能。根據(jù)船的變速結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能精確調(diào)速、轉(zhuǎn)向更平穩(wěn)，性能更穩(wěn)定。通過控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，來調(diào)控操控船的方向、速度。在清理垃圾區(qū)域方面，以及吸油濾網(wǎng)方面主要是由步進(jìn)電機(jī)完成，最后清理船的燈光、WiFi等信號(hào)接收設(shè)備則是由太陽能電池板來提供。各電路分工明確，各板塊相互協(xié)調(diào)、配合。

（3）安全系統(tǒng)：船體前端設(shè)置感應(yīng)裝置能偵測(cè)溫度、能見度以及路狀，有能力能應(yīng)對(duì)各種障礙。以物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，增設(shè)自動(dòng)識(shí)別航行系統(tǒng)，通過聲光感、濕度溫度感受器等技術(shù)，能夠高效的收集、分析海域的近端天氣狀況、通過智能傳感器提前收集處理水體危險(xiǎn)障礙物的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)規(guī)劃出一條最快速、安全可靠得的線路。該船擁有太陽能供電模塊，水面清理模塊，動(dòng)力控制模塊，主處理器，無線傳輸模塊，北斗全球定位模塊，自動(dòng)導(dǎo)航模塊，智能避障模塊以及遠(yuǎn)程控制終端保證了其安全性。

2.新能源智能水上清理船的功能模塊設(shè)計(jì)

（1）動(dòng)力模塊的硬件設(shè)計(jì)：太陽能起輔助作用，蓄電池提供動(dòng)力。直流電動(dòng)機(jī)主要為行駛狀態(tài)、遙控工作狀態(tài)下的船提供動(dòng)力，交流電機(jī)主要為清理設(shè)備提供動(dòng)力。 智能清理船采用4塊24V蓄電池來作為動(dòng)力源，以便能更長(zhǎng)時(shí)間工作作業(yè)。對(duì)于控制動(dòng)力的電機(jī)，有更好的控制效果，穩(wěn)定船的轉(zhuǎn)向、速度以及走向。

（2）清理模塊的硬件設(shè)計(jì)：清掃模塊由彎曲篩網(wǎng)和直篩網(wǎng)組成，篩網(wǎng)外層是鐵絲篩網(wǎng)，內(nèi)層是吸油濾網(wǎng)的底部與側(cè)面都濾水小孔，收集輪設(shè)計(jì)采用仿動(dòng)物形變翼偏心運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模式，帶動(dòng)收集板進(jìn)行伸展收縮的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大了了船體的工作范圍，適用于各種領(lǐng)域范圍保證船體的穩(wěn)定性，大大提高工作效率?？梢允沟脧澢Y網(wǎng)能夠360°旋轉(zhuǎn)，能夠輕易將水中的不規(guī)則垃圾打撈起來。

（3）傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)：傳輸模塊對(duì)清理船起到至關(guān)作用，就像血液對(duì)人體生命一般。利用電機(jī)的動(dòng)力把垃圾推入篩網(wǎng)中以便撈起來，，將垃圾倒在直篩網(wǎng)上，篩網(wǎng)再把垃圾卷入垃圾箱內(nèi)。而另一部分則是由吸油鋁制網(wǎng)把水域內(nèi)的污染油質(zhì)等 吸附于濾紙網(wǎng)上，在經(jīng)過傳體內(nèi)的刮油刀，把污染油脂刮至垃圾箱中，以便處理。彎曲篩網(wǎng)繼續(xù)按照此前工作模式順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，利用循環(huán)系統(tǒng)可以重復(fù)工作，提高了工作效率。

（4）遙控模塊設(shè)計(jì)：由路由器擴(kuò)散信號(hào)、WiFi模塊發(fā)出信號(hào)及遙控器組成，可以在接近50米距離內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙控操控（也可通過手機(jī)APP操作），通過信號(hào)功率放大可以擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離，并采用FPV圖像回傳系統(tǒng)，在工作過程中可通過手機(jī)以及電腦的APP對(duì)船體進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和監(jiān)控，保障船體的安全。

（5）控制模塊的硬件設(shè)計(jì)：控制系統(tǒng)的硬件是清理船的關(guān)鍵，采用單片機(jī)32為核心操控部件，采用編程類基礎(chǔ)語言C語言及C++語言編程，從而使船體的各個(gè)模塊能夠有條不紊地運(yùn)行。

（6）系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)：檢查電路連接是否正確，設(shè)點(diǎn)設(shè)備是否安全可用。然后接上電源，打開手機(jī)無線發(fā)送數(shù)據(jù)，打開WiFi模塊啟動(dòng)，連接之后檢查每個(gè)部分是否正常運(yùn)作，排除故障之后，進(jìn)行清理工作。采用單片機(jī)32為核心操控部件，采用編程類基礎(chǔ)語言C語言及C++語言編程，包括溫度、水速、壓力、方位位置、電機(jī)頻率等，都有相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上通過采用數(shù)字計(jì)算機(jī)還建立起了控制性能更好和自動(dòng)化程度更高的數(shù)字控制系統(tǒng)。

3.新能源智能水上清理船的應(yīng)用

新能源智能水上清理船可以對(duì)絕大部分的江河進(jìn)行清理工作，船舶按照江河大小的不同而分為大小規(guī)格不同的類型，窄小的河道可以選擇小型清理船，寬大的江流和湖泊可以選擇中型或者大型的清理船，無論是什么型號(hào)的船舶，都可以有效的對(duì)水面的雜物、水草等物質(zhì)進(jìn)行打撈工作，保證水體的清潔。以往的水上垃圾都是靠清潔人員手動(dòng)清理，不僅效率低，并且十分危險(xiǎn)，很容易對(duì)清理人員造成生命危險(xiǎn)。而新能源水上清理船正好解決了這一難題，我們采用的是遠(yuǎn)程操控、無人作業(yè)、利用新能源產(chǎn)生動(dòng)力。我們既提高了作業(yè)的效率也從側(cè)面保護(hù)了清理人員的生命安全。而且，它能自動(dòng)識(shí)別障礙，能有效地避開障礙物，并自動(dòng)轉(zhuǎn)向，不會(huì)與其他船體發(fā)生碰撞，船體安裝的傳感器也能準(zhǔn)確地感知落水者，不但不會(huì)對(duì)落水者造成威脅，而且會(huì)利用船體的浮力挽救落水者。如果傳感器失靈，遠(yuǎn)程操控失靈，我們的系統(tǒng)也是擁有自動(dòng)循跡功能，所以不用擔(dān)心傳感器失靈這類情況。

4.結(jié)語

水上智能清理船擁有太陽能電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別執(zhí)行系統(tǒng)等一系列的智能系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)清理的目的。智能清理船能夠代替人工，全面地提高了清理能力，同時(shí)大大降低成本。該多功能智能清理船可在保護(hù)水資源環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。

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（北部灣大學(xué)?廣西?欽州?535011）