水上清理工設(shè)計(jì)

徐洪波 陳瑩 王涌霖 馮煥程

摘要：隨著工業(yè)化、城市化加快，世界面臨著水資源短缺、污染嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。而其中港口、湖泊、河流、海洋均受到不同程度的垃圾污染。機(jī)器控制方便、行動(dòng)作靈活，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間軌跡控制，針對(duì)機(jī)器人的這種特性，我們生活中很多高難度繁重的工作都漸漸由機(jī)器人代替了。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了水上清理工，即水上垃圾收集船。水上清理工的垃圾清理主要是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，STM32作為主要控制單元的控制系統(tǒng)，擁有太陽(yáng)能充電系統(tǒng)。具有工作效率高、集裝置空間大、作噪音小、能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：垃圾;水上;收集船

1 引言

水是生命之源，生命搖籃。然而，水受到的污染正愈發(fā)嚴(yán)重，目前許多國(guó)家的河流、水域漂浮物污染十分嚴(yán)重，給人們的生存環(huán)境、投資環(huán)境和開(kāi)發(fā)利用旅游資源等帶來(lái)負(fù)面影響。傳統(tǒng)的水面垃圾清理，主要是通過(guò)人為打撈，效率比較低，同時(shí)又消耗了大量的人力和財(cái)力，這些是僅靠人力是很難完成的。

水上清理工，即水上垃圾收集船的設(shè)計(jì)目的在于針對(duì)性的解決景區(qū)小面積水域以及不適合現(xiàn)有大型垃圾收集船工作的水面垃圾清理問(wèn)題，代以往在這些水域使用的人工打撈方式。通過(guò)小型化設(shè)計(jì)和遙控器操縱實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便高效的清理工作。以抗風(fēng)浪能力強(qiáng)的小水線面雙體船作為載體，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送網(wǎng)帶，網(wǎng)帶上的勾臂可以確實(shí)有效的打撈漂浮垃圾，垃圾最終落入收集箱。為使船上有限的空間能夠得到充分的利用，創(chuàng)新性的將機(jī)械伸縮機(jī)構(gòu)應(yīng)用在垃圾收集箱，使浸泡過(guò)水后有很強(qiáng)粘附性的輕薄垃圾，可以堆放到垃圾箱的底部，使垃圾箱逐步堆滿而不會(huì)局部堆積。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水上清理工的控制部分主要由覺(jué)子系統(tǒng)（即機(jī)器人的眼睛）、決策子系統(tǒng)（即機(jī)器人的大腦）、執(zhí)行子系統(tǒng)（即機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）組成。通過(guò)視覺(jué)子系統(tǒng)把圖像信息傳給決策子系統(tǒng)，經(jīng)決策子系統(tǒng)分析決策，把指令傳給執(zhí)行子系統(tǒng)，由執(zhí)行子系統(tǒng)控制各機(jī)械機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作。

水上清理工船體選擇現(xiàn)今在船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域較為先進(jìn)的小水線面雙體船型，可以在提供相同浮力的情況下獲得更大上層空間，且寬度比單體船大得多，其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單體船，同時(shí)具有承受較大風(fēng)浪的能力，還具有良好的操縱性，還具有阻力峰不明顯、裝載量大等特點(diǎn)。在船體兩側(cè)上放置太陽(yáng)能電池板，在安裝螺旋槳，而作業(yè)系統(tǒng)主要位于中間的船體，這樣的設(shè)計(jì)不僅外觀漂亮，而且結(jié)構(gòu)合理，有利于船的平衡。船體采用工程塑料為外殼，外質(zhì)較輕，質(zhì)量較好，抗水面風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)，并且可以減輕船體的重量，減輕船體的負(fù)擔(dān)，還可以提高船的情形速度，此外，工程材料價(jià)格較低廉，大大降低了船的成本。

太陽(yáng)能電池板位于側(cè)邊的兩個(gè)船體表面，可以節(jié)約空間，利用電池板進(jìn)行發(fā)電，電存儲(chǔ)在蓄電池中從而進(jìn)行利用，為了防止太陽(yáng)能電池的壽命，增強(qiáng)其防腐，防雨，防污等能力，其材料采用玻璃合金，密封在表面增加玻璃板，而背面增加合金薄片。

打撈機(jī)械裝置使用網(wǎng)狀傳送網(wǎng)帶與網(wǎng)狀勾臂，可以打撈絕大部分種類的水面垃圾，打撈過(guò)程中就可以過(guò)濾水份，減少船載質(zhì)量，從而減少航行阻力。

水上清理工主控采用ST公司研制的STM32F1系列單片機(jī)，船身采用電機(jī)帶動(dòng)槳葉作為的動(dòng)力輸出和四軸上的舵機(jī)作為動(dòng)力輸出的輔助裝置。輔助其實(shí)現(xiàn)更好、更靈活的運(yùn)動(dòng)模式。

水上清理工船身內(nèi)安裝兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)用來(lái)推進(jìn)船體前進(jìn)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，給船提供前進(jìn)的動(dòng)力;另一個(gè)電機(jī)控制控制螺旋槳的轉(zhuǎn)向，讓船體實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。步進(jìn)電機(jī)在超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和所停的位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，它的旋轉(zhuǎn)以固定角度進(jìn)行，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確的目的，這樣就可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制船體所停位置。

“水上清理工”基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 管理員模塊：船體內(nèi)設(shè)有報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以給管理人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這樣可以在第一時(shí)間內(nèi)將信息傳達(dá)給管理人員，減少了等待的時(shí)間消耗，也防止問(wèn)題因擴(kuò)大化而產(chǎn)生的不必要的影響，同時(shí)管理人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，知道水上清潔工的具體位置。

3.2控制單元：當(dāng)攝像頭拍攝到垃圾時(shí)，將畫(huà)面?zhèn)魉偷较噙B的計(jì)算機(jī)或手機(jī)上，便可以手柄直接控制或者計(jì)算機(jī)通過(guò)藍(lán)牙控制船行進(jìn)到垃圾周圍停止，遠(yuǎn)程控制船上的打撈機(jī)械裝置垃圾收集行動(dòng)，將垃圾收集上后放置在船身后方的收集裝置中。收集裝置滿后，控制裝置回到岸邊，將收集的垃圾清理，即完成操作。船亦可自動(dòng)運(yùn)行，在水面尋找垃圾并自動(dòng)處理，當(dāng)電量不足時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

3.3主控單元：水上清理工以STM32單片機(jī)為核心，它是一款高性能、低成本、低耗能的嵌入式控制系統(tǒng)，內(nèi)核采用的是ARM32位Cortex-M3CPU，最高頻率可以達(dá)到72 MHz，存儲(chǔ)器采用6-64 k B的SRAM存儲(chǔ)器，具有3個(gè)12位μs級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器，最多高達(dá)112位的快速I/O端口，是集藍(lán)牙控制和無(wú)線控制于一體的單片機(jī)控制系統(tǒng)。

3.4視覺(jué)系統(tǒng)：視覺(jué)系統(tǒng)是由?？低旾CS-IOT-TJ型號(hào)的視覺(jué)工業(yè)攝像頭和控制器組成，通過(guò)視覺(jué)攝像頭拍攝到存取碼，識(shí)別后通過(guò)信息處理成為 ASCII碼，再通過(guò) RS232通信口進(jìn)行視覺(jué)傳感器和 計(jì)算機(jī)之間的通信，將 ASCII碼傳輸給計(jì)算機(jī)，由 RS指令進(jìn)行通訊。

3.5動(dòng)力系統(tǒng)：為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、高效的水上垃圾清理裝置設(shè)計(jì)，水上清潔工采用磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力源，同時(shí)配置光伏電池板收集太陽(yáng)能。鋰電池具有以下功能：

（1） 為船體的電機(jī)提供動(dòng)力，能夠?qū)崿F(xiàn)船體在水上的前進(jìn)及轉(zhuǎn)向

（2） 為打撈機(jī)械裝置收集垃圾提供動(dòng)力。

利用太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)蓄電池，提供電能，讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推力式采用雙螺旋槳推動(dòng)獨(dú)立電機(jī)，分別位于船體兩級(jí)架的后部，這樣，控制就靈活，而且也有足夠的動(dòng)力。

3.6垃圾清理系統(tǒng)：垃圾清理系統(tǒng)主要由打撈機(jī)械裝置和垃圾收集裝置組成。垃圾收集裝置采用硬塑料，在減輕質(zhì)量的同時(shí)也防止腐蝕，機(jī)械裝置可各方位收集垃圾。

4 結(jié)論

此裝置為解決日益嚴(yán)重的水體固體垃圾而設(shè)計(jì)，水體垃圾的危害極大，清除垃圾刻不容緩，通過(guò)攝像頭確定哪里垃圾多變停在哪，停下后可以開(kāi)展工作。該作品適用于景區(qū)小面積水域以及不適合現(xiàn)有大型垃圾收集船工作的水面垃圾清理問(wèn)題，可打撈大部分水面漂浮垃圾，如樹(shù)葉，包裝物等基于無(wú)線電遙控技術(shù)操控簡(jiǎn)單機(jī)動(dòng)性，十分適用于公園或景區(qū)小面積水域內(nèi)水面垃圾的清理工作。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“水上清理工”（項(xiàng)目號(hào)：202110066019）