水面垃圾智能收集裝置的實(shí)現(xiàn)

北京聯(lián)合大學(xué) 馬 慶 程 光 段效賢 李國(guó)弼 王思婷 李玥佳 郭煥萍

目前，隨著科技的不斷進(jìn)步，高科技產(chǎn)品逐漸出現(xiàn)在人們的生活中，這也極大地減少了人力和物力。而對(duì)于我們生活中常見的垃圾處理問題也成為了一大熱點(diǎn)問題。近年來，我國(guó)各地都出臺(tái)了相關(guān)政策進(jìn)行垃圾分類處理。對(duì)于垃圾處理問題，我們只是解決了垃圾的再利用。但是這也避免不了一些人依舊亂丟垃圾。對(duì)于地面垃圾，我們可以借助環(huán)衛(wèi)工人來進(jìn)行收集；對(duì)于水面垃圾，打撈和收集的工作對(duì)于人們來說存在一定的困難。為解決這一困難，人們也發(fā)明了一系列水面垃圾收集裝置。但是，針對(duì)目前已有的垃圾收集裝置需要人員的駕駛來進(jìn)行收集，并沒有完全的應(yīng)用現(xiàn)如今所擁有的技術(shù)。因此，我們小組進(jìn)行討論，認(rèn)為現(xiàn)如今的水面垃圾處理和收集裝置可以借鑒掃地機(jī)器人的相關(guān)功能和無人駕駛汽車的自我分析功能實(shí)現(xiàn)水面垃圾處理裝置的相關(guān)功能，使得現(xiàn)如今的水面垃圾處理裝置成為一個(gè)具備自我收集、遠(yuǎn)程控制、自我記錄數(shù)據(jù)功能的智能的收集裝置。

1 水面垃圾智能收集裝置的制作

1.1 設(shè)計(jì)、整理垃圾收集裝置的零部件

在水面垃圾智能收集裝置整體方面，為了減少水面的阻力，采用船體外觀，既能實(shí)現(xiàn)裝置的快速運(yùn)行，也體現(xiàn)出了船體的美觀。而在實(shí)際操作中，我們按照一定的比例進(jìn)行了迷你版的船身基本結(jié)構(gòu)，方便其在生活中的實(shí)踐，檢驗(yàn)其外觀是否能減少阻力，快速運(yùn)行；在水面垃圾智能收集裝置的智能化識(shí)別方面，我們利用了掃地機(jī)器人智能識(shí)別的原理，通過超聲破測(cè)距傳感器，偵測(cè)前方所存在的障礙物，如堤壩等，會(huì)自行改變方向，從堤壩邊沿開始走矩形路線，有規(guī)劃地收集水面垃圾。除此之外，我們也借助掃地機(jī)器人的真空吸附作用，將垃圾吸附在水面垃圾智能收集裝置的垃圾袋里。在水面垃圾智能收集裝置的遠(yuǎn)程控制方面，我們采用了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)方面的知識(shí)點(diǎn)，在設(shè)備中加入WiFi模塊，將WiFi模塊與中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)系，操作人員可以在中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)置，如設(shè)置前進(jìn)左右按鈕，使得人們可以在手機(jī)平臺(tái)上即可對(duì)水面垃圾智能收集裝置進(jìn)行控制。這樣也方便在設(shè)備工作時(shí)，我們可以隨時(shí)控制它的軌跡。除此之外，借助這一平臺(tái)，我們也可以進(jìn)行工作狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)記錄的功能。它將工作狀態(tài)以及垃圾收集量等數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳至操作人員的手機(jī)客戶端或者PC端，實(shí)時(shí)地了解工作狀態(tài)。通過這個(gè)功能，我們便可以進(jìn)行水面污染程度的估量，讓大家可以更直觀地認(rèn)識(shí)到水面的污染程度，提高人們的環(huán)保意識(shí)。也可以讓我們了解到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)地去調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在水面垃圾智能收集裝置工作時(shí)，為保證它在正常的軌跡運(yùn)行，我們也采用了GPS定位系統(tǒng)，在實(shí)際操作中，我們通過研究現(xiàn)有的材料，進(jìn)行一定的規(guī)劃，將超聲波傳感器等裝置安裝在迷你版的裝置上，讓其有更大的空間去收集垃圾。

1.2 制作船體部分

因?yàn)樾枰?chuàng)作基本的水面垃圾處理裝置，所以我們應(yīng)用了熱熔膠槍和防水的材料進(jìn)行基本的組裝，制造出水面垃圾收集裝置的基本外觀。

1.3 安裝主控板和其他部分

水面垃圾智能收集裝置由于借助了自動(dòng)控制原理，我們需要在其主控板上載入想要實(shí)現(xiàn)的程序。因?yàn)橹骺匕寰哂锌刂破渌糠帧⑹蛊溥\(yùn)動(dòng)、控制運(yùn)動(dòng)的直接作用。主控板上還具有控制板充電的充電接口、電源開關(guān)、連接電機(jī)、發(fā)送控制信號(hào)、控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)接口、為控制板下載控制代碼、編寫程序的編程接口等。將這些相應(yīng)的線連接起來后，將主控板與我們?cè)O(shè)計(jì)的船身連接在一起，做好必要的防水措施，這樣才能保證水面垃圾收集裝置的正常運(yùn)行。

2 水面垃圾智能收集裝置的初始調(diào)試

將智能垃圾收集裝置安裝電機(jī)進(jìn)行拆卸，釋放電機(jī)自由，讓電機(jī)找到初始姿態(tài)所在的位置；確認(rèn)開關(guān)關(guān)閉，將水面垃圾智能收集裝置的電池安裝至其主控板的電池接口中；打開開關(guān)，電機(jī)將自行運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)在不關(guān)閉開關(guān)的情況下，重新組裝所設(shè)計(jì)的垃圾智能收集裝置的內(nèi)部構(gòu)造。安裝完畢后，將其放在水盆里進(jìn)行測(cè)試。

3 水面垃圾智能收集裝置的原理

3.1 裝置行徑的工作原理

水面垃圾智能收集裝置的行徑工作原理主要利用了步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)螺旋槳上裝有的防水電機(jī)可以控制槳的方向，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能。

3.2 裝置清潔的工作原理

清潔模塊中，采取分離式垃圾處理技術(shù)。引入抽水機(jī)建立低壓環(huán)境，一方面，較大的吸力使得較大的水面垃圾進(jìn)入垃圾收集盒中，盒中又另加濾水器和抽水泵，將多余的水排出收集盒，使垃圾與水分離；另一方面，使用抽水機(jī)和高分子濾網(wǎng)的組合，增強(qiáng)單位面積的吸附能力，可以對(duì)付較小的顆粒狀垃圾，使得垃圾吸附在濾網(wǎng)層中完成清掃。一輪清潔完成，需要更換濾網(wǎng)和清理收集盒，以保證清潔質(zhì)量。抽水機(jī)外殼采用防水材料而制，保證時(shí)刻處于正常工作狀態(tài)。

3.3 水面清潔規(guī)劃功能工作原理

清潔規(guī)劃算法主要是對(duì)感知系統(tǒng)收到的障礙信息進(jìn)行判斷和處理，系統(tǒng)采用混合路徑規(guī)劃算法。液晶屏幕顯示傳感器感知系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，方便調(diào)試。優(yōu)先執(zhí)行中斷觸發(fā)算法，左邊外部中斷被觸發(fā)則執(zhí)行右轉(zhuǎn)路徑；當(dāng)右邊的中斷被觸發(fā)時(shí)執(zhí)行左轉(zhuǎn)。若存在大面積的障礙物便開始執(zhí)行單元域分割算法，清潔裝置依據(jù)“弓”字形路徑進(jìn)行清潔；若檢測(cè)不到相應(yīng)尺寸大小的障礙物，便執(zhí)行隨機(jī)覆蓋算法，依據(jù)三角形軌跡進(jìn)行清潔。對(duì)于小尺寸障礙物，采用循障礙物邊界進(jìn)行清潔，降低單位面積內(nèi)的功耗問題，讓裝置清潔更智能。

3.4 智能避障功能工作原理

水面垃圾智能收集裝置在避障時(shí)首先需要對(duì)障礙物進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)，然后將探測(cè)到的距離信號(hào)傳送入控制器，控制器再啟動(dòng)控制策略根據(jù)采集到的距離信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得出控制量，最后主控器再根據(jù)控制量對(duì)船體所裝電機(jī)進(jìn)行控制，使得螺旋槳的朝向得到改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的回避。而偵測(cè)系統(tǒng)主要有紅外線傳感和超聲波仿生技術(shù)，所以也就有兩種避障方式——紅外避障和超聲波避障。

（1）紅外避障：LED發(fā)射紅外光，由障礙物反射到接收器。通過計(jì)算接收到光強(qiáng)度的大小，從而判斷障礙物的距離，從而進(jìn)行避障。但紅外避障對(duì)使用環(huán)境有相當(dāng)高的要求，當(dāng)遇上淺色或是深色的物體它無法反射回來，會(huì)造成碰撞。

（2）超聲波避障：避障裝置采用超聲測(cè)距回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射信號(hào)的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波傳播在空氣介質(zhì)中，途中碰到障礙物的阻擋就反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立刻停止計(jì)時(shí)。由于超聲波也是聲波，若介質(zhì)溫度變化不大，認(rèn)為速度在傳播過程中是基本不變的。當(dāng)速度確定后，只要測(cè)得往返時(shí)間，即可求得距離。當(dāng)測(cè)得的距離小于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。

3.5 遠(yuǎn)程控制工作原理

水面垃圾智能收集裝置在工作時(shí)，雖然可進(jìn)行自我的收集，但是考慮到環(huán)境的復(fù)雜多變，裝置需要人來控制、主導(dǎo)。為了減少人力與物力，我們將進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制設(shè)備，于是我們便利用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)。在這次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，我們通過加入WiFi模塊，將其與中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)進(jìn)行連接，通過設(shè)備來進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制。而在中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)需要設(shè)計(jì)出想要實(shí)現(xiàn)的功能與界面，通過與設(shè)備的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。本次我們所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能有控制方向與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

（1）控制方向：首先我們需要在STM32芯片上燒寫程序以實(shí)現(xiàn)我們想要實(shí)現(xiàn)的功能，如使得船體前行等。通過程序去控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)船體的運(yùn)轉(zhuǎn)。而WiFi模塊與STM32相連，當(dāng)我們?cè)谄脚_(tái)設(shè)計(jì)好相關(guān)的功能模塊與參數(shù)后，用戶通過手機(jī)客戶端進(jìn)行一些列的操作，把其傳輸至WiFi模塊后，便可以控制水面垃圾智能收集裝置的方向。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的原理同控制方向的原理相似，主要借助WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)直接通過WiFi模塊傳至操作者的手機(jī)客戶端或者電腦平臺(tái)，形成直觀的數(shù)據(jù)曲線圖，供操作者進(jìn)行一些數(shù)據(jù)分析。

4 項(xiàng)目問題與發(fā)展前景

完成本項(xiàng)目——水面垃圾智能收集裝置的同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)了一些問題：水面垃圾收集裝置在收集垃圾的時(shí)候，它會(huì)將水面上所有的東西都進(jìn)行收集，如水面上的海洋生物等。這樣也會(huì)造成一些不必要的損失；其次，在收集滿垃圾后，船體由于重力增加，速度極大地減慢，降低了工作效率；最后，在智能垃圾收集裝置工作時(shí)，如果突然沒電，會(huì)自動(dòng)停留在水面上，這樣需要我們?nèi)巳⑵溥\(yùn)回。綜上這些問題，我們也想到了一些方法：為改變由于重力導(dǎo)致的速度變慢，我們可以讓它一碰到堤壩，就將收集的垃圾自動(dòng)倒置在岸邊；為改變突然沒電停滯在水面上，我們可以讓其在檢測(cè)到自己電量不足時(shí)，及時(shí)返回到岸邊。但是以我小組現(xiàn)在的能力來看，這些問題我們目前還未解決，這也是需要我們不斷努力學(xué)習(xí)的。在課余的時(shí)間里，我們會(huì)繼續(xù)探究其所存在的問題，并盡力去解決，使得這個(gè)收集裝置變得盡可能的完美。

通過這次水面垃圾智能收集裝置的研究，我們也發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)可以讓一些機(jī)器包括我們所研究的垃圾智能收集裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別的技術(shù)，但是科技的不斷進(jìn)步會(huì)有不斷的新技術(shù)產(chǎn)生，現(xiàn)如今，雖然其極大地減少了人力物力，但它也存在著一些問題，包括我們上面所提到的如何解決它將海洋生物與垃圾一起收集的問題。這也需要我們不斷地研究與探索。在探究新技術(shù)的同時(shí)，我們要始終保持一個(gè)原則：維護(hù)生態(tài)平衡，保護(hù)自然環(huán)境。科技固然可以造福人類，但也不能讓其破壞我們的生存環(huán)境?？萍嫉牟粩噙M(jìn)步促使人類不斷地進(jìn)步，我們相信這一系列問題會(huì)在不久的將來逐步解決，智能垃圾收集裝置，將更加輝煌！