一種基于循環(huán)梯級的海洋垃圾處理裝置

張志高，吳麗曉，崔志遠(yuǎn)，徐子宇，王禮杰

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

工業(yè)發(fā)展使得地球海洋環(huán)境日趨惡化，塑料垃圾、工業(yè)廢棄物和生產(chǎn)污水隨著河流沖入海水之中，對海洋的環(huán)境造成了破壞，大規(guī)模污染導(dǎo)致海洋生物因缺氧而死亡，降低海洋生產(chǎn)能力。其中，塑料垃圾數(shù)量最大，占海洋垃圾總數(shù)的85%，包括塑料瓶、塑料袋和漁網(wǎng)，它們難以自然分解，長期漂浮在海水中。如果不采取相應(yīng)措施，人類社會也將受其影響。目前，國內(nèi)海洋垃圾處理方式主要包括人工和機(jī)械兩種。一種是通過傳統(tǒng)人工打撈清理垃圾，這種方式具有范圍小、耗時(shí)長、難度大的特點(diǎn)，難以徹底清除海洋垃圾；另一種則是通過人工駕駛機(jī)械裝置進(jìn)行清理，勞動強(qiáng)度低，打撈速度快，但采用燃油驅(qū)動會對空氣造成污染，且普及度不高。因此，設(shè)計(jì)一款簡單、高效的海洋垃圾處理裝置是必要的[1]。

針對這些問題和現(xiàn)狀，從海洋垃圾的處理裝置的要求出發(fā)，依據(jù)自動扶梯式的原理結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)對海洋漂浮垃圾的處理裝置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由垃圾采集裝置、垃圾儲存裝置、車身主體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成，整個(gè)裝置是基于STM32 單片機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，以控制系統(tǒng)為中心，通過驅(qū)動單元為裝置提供動力，車身基本框架底部采用密封設(shè)置，為整個(gè)裝置穩(wěn)定漂浮在水面提供了有利的條件，垃圾采集裝置參照自動扶梯原理，通過改良和升級原有的結(jié)構(gòu)，最終借鑒采用循環(huán)梯級運(yùn)動的原理，裝置各個(gè)系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)水面垃圾的采集、傳送、儲存，從而完成水面垃圾的清理工作[2]。

1.1 循環(huán)梯級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

循環(huán)梯級的結(jié)構(gòu)參考了自動扶梯原有的結(jié)構(gòu)，并且在原有的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級和改進(jìn)，將原有的臺階更換為V 截面的垃圾收集單元，下端刪除原有結(jié)構(gòu)的水平移動端，更容易實(shí)現(xiàn)垃圾從水中分離，上端保留水平移動端，從而可以增加儲存結(jié)構(gòu)體積，也更容易實(shí)現(xiàn)垃圾與收集單元的分離，使其更加適應(yīng)水面垃圾采集工作。此結(jié)構(gòu)在驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的循環(huán)轉(zhuǎn)動，每個(gè)采集單元上方兩個(gè)輪子相連組成閉環(huán)由電機(jī)經(jīng)過減速后直接驅(qū)動，下側(cè)輪子在軌道中不同的位置可以更改每個(gè)采集單元不同的角度，采集單元從在水下繞圓周旋轉(zhuǎn)150°，在旋轉(zhuǎn)過程中將垃圾從水面進(jìn)行采集，采集后沿著軌道進(jìn)行運(yùn)行，直到運(yùn)行至儲存結(jié)構(gòu)上方，采集單元繞圓周運(yùn)動旋轉(zhuǎn)，由于重力作用，每個(gè)采集單元垃圾脫落，完成一次的垃圾清理工作。在驅(qū)動裝置提供動力下，循環(huán)往復(fù)在規(guī)劃的既定路線下完成指定區(qū)域的垃圾清理工作，見圖1。

圖1 循環(huán)梯級結(jié)構(gòu)示意簡圖（不含驅(qū)動裝置）

1.2 垃圾儲存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垃圾儲存結(jié)構(gòu)使用鋁型材搭建，為了方便垃圾的清理工作，將垃圾儲存結(jié)構(gòu)通過快拆裝置安裝在裝置框架上，從而提升垃圾清理的效率。

1.3 裝置基本框架的設(shè)計(jì)

框架采用鋁型材進(jìn)行搭建，鋁型材通過角碼可以快速連接，同時(shí)能夠降低總體成本，減少制造、加工、組裝時(shí)間，還可以使各種裝置在框架上安裝簡單，通過T 型螺母緊固，方便拆裝?？紤]在陸地上移動方便，框架安裝四個(gè)萬向輪方便移動。在框架底部四軸固定氣包，為裝置在水中工作提供浮力，為穩(wěn)定工作提供保障[3]。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1 主控芯片選擇

主控芯片采用STM32F103RCT6 為Cortex-M3 內(nèi)核，MCU 運(yùn)行頻率最高達(dá)72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM 容量為48 K、多種外設(shè)、USB 接口和CAN。此系統(tǒng)中，主控芯片主要任務(wù)為讀取姿態(tài)傳感器IMU 數(shù)據(jù)、GPS 數(shù)據(jù)、遙控器信號、為驅(qū)動裝置提供驅(qū)動信號，因此此款芯片性能可以滿足使用要求。

1.4.2 動力驅(qū)動系統(tǒng)選擇

考慮到工作環(huán)境的復(fù)雜性，本次動力元件全部使用步進(jìn)電機(jī)提供動力，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的電動機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度或前進(jìn)一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。根據(jù)裝置大小以及實(shí)際運(yùn)行功率需求，最終選擇雷塞86CM85D 開環(huán)步進(jìn)電機(jī)，此電機(jī)最大輸出扭矩8.5 Nm，額定工作電流為6 A，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器最終選擇M860D 開環(huán)步進(jìn)驅(qū)動器，內(nèi)置平滑濾波功能電流峰值最高可達(dá)7.2 A，同時(shí)具有參數(shù)自動整定功能，精密電流控制減少電機(jī)發(fā)熱，并且具有過流過壓保護(hù)功能。

1.4.3 GPS 模塊以及姿態(tài)傳感器IMU 選擇

GPS 模塊選擇為AT6558R 定位模組BD-280ZR，模組水平定位精度2 m，通過TTL 電平，使用NMEA-0183 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高可支持波特率921 600 bps, 數(shù)據(jù)更新頻率1 Hz～10 Hz，滿足使用需求。MPU9250 內(nèi)部集成有3 軸陀螺儀、3 軸加速度計(jì)和3軸磁力計(jì)，輸出都是16 位的數(shù)字量;可以通過集成電路總線(IIC)接口和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸速率可達(dá)400 kHz/s。陀螺儀的角速度測量范圍最高達(dá)±2000（/s），具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。加速度計(jì)的測量范圍最大為±16 g(g 為重力加速度)，靜態(tài)測量精度高。磁力計(jì)采用高靈度霍爾型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，磁感應(yīng)強(qiáng)度測量范圍為±4800 μT，可用于對偏航角的輔助測量。

MPU9250 自帶的數(shù)字運(yùn)動處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，可以整合九軸傳感器數(shù)據(jù)，向應(yīng)用端輸出完整的9 軸融合演算數(shù)據(jù)。

有了DMP，我們可以使用InvenSense 公司提供的運(yùn)動處理庫（MPL：Motion Process Library），非常方便的實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算。

1.4.4 無線通訊模塊選擇

無線通訊模塊選擇為HC-05 藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙HC05 是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，簡單的說，當(dāng)建立連接，兩設(shè)備共同使用一通道也就是同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。藍(lán)牙通訊方便快捷，可以通過手機(jī)等便攜設(shè)備進(jìn)行通訊。

1.4.5 程序設(shè)計(jì)

裝置啟動后，初始化并檢查各個(gè)傳感器狀態(tài)，初始化完成后等待任務(wù)下發(fā)，通訊裝置接收到任務(wù)后，通過讀取姿態(tài)傳感器IMU 和GPS 模塊數(shù)據(jù)得到當(dāng)前所處位置和姿態(tài)信息，讀取當(dāng)前任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，最終實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理工作，完成最終工作后，并自動回到原點(diǎn)。

2 工作原理

見圖2。

圖2 工作原理圖

裝置啟動后，接收到工作任務(wù)后，默認(rèn)打開梯級循環(huán)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)，每一個(gè)采集單元從水面采集垃圾（見圖3），每個(gè)垃圾采集單元配備三個(gè)輪子，上測輪子沿著固定軌道完成整個(gè)裝置的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動，下測輪子隨著軌道的變化，繼而繼而可以改變每個(gè)垃圾采集單元的旋轉(zhuǎn)角度（見圖4），完成垃圾的自動卸載至儲存箱。通過循環(huán)往復(fù)自動實(shí)現(xiàn)垃圾收集、存儲和再收集。主控系統(tǒng)通過讀取當(dāng)前任務(wù)路線，讀取姿態(tài)傳感器IMU 和GPS 模塊數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行方向，通過不斷修正位置從而完成路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)指定水域的垃圾清理與儲存任務(wù)，當(dāng)任務(wù)完成或垃圾儲存裝置裝滿之后自動回到原點(diǎn)，完成任務(wù)或清理儲存垃圾后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)從而直到最終任務(wù)完成[4]。

圖3 采集單元轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)

圖4 采集單元卸載狀態(tài)

3 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 硬件優(yōu)化

實(shí)際運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)垃圾收集單元從水中采集時(shí)垃圾容易脫落，導(dǎo)致每個(gè)采集單元實(shí)際垃圾采集量偏少，其次在運(yùn)送過程中垃圾也容易脫落。為此，我們改良每個(gè)垃圾采集單元，更改其采集單元外觀，將底部角度變小，由于重力作用，防止垃圾在傳送中脫落其次，也更容易從水中采集出垃圾，見圖5。

圖5 優(yōu)化后的采集單元

3.2 程序優(yōu)化

由于GPS 定位精度誤差在2 m 以內(nèi)以及磁力計(jì)陀螺儀存在噪聲誤差，單純依靠GPS 工作或者磁力計(jì)陀螺儀勢必會帶來較大誤差，因此我們通過結(jié)合陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃與單獨(dú)使用單一數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，首先我們將裝置在道路上進(jìn)行實(shí)地測試，通過對比實(shí)際運(yùn)行軌跡與設(shè)定軌跡（直線），進(jìn)行三次對照組測試實(shí)驗(yàn)分別單獨(dú)使用GPS、磁力計(jì)陀螺儀和將GPS 與磁力計(jì)陀螺儀數(shù)據(jù)融合得出了下面三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此次實(shí)驗(yàn)選定9 m 直線，每運(yùn)行1 m 數(shù)據(jù)采集一次，共采集9 次。采集數(shù)據(jù)見表1，通過對比可以明顯得出融合數(shù)據(jù)在一定程度下可以減小偏差。

表1 不同數(shù)據(jù)下與設(shè)定直線的偏差（cm）

4 結(jié)論

通過裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并結(jié)合實(shí)際制作過程中所遇見的問題，我們改良了以下幾個(gè)方面，首先，由于工作環(huán)境在水面上，必須優(yōu)化控制系統(tǒng)，做好防水工作，防止控制系統(tǒng)由于水引起的短路和其他不穩(wěn)定情況的產(chǎn)生。其次，優(yōu)化傳動機(jī)構(gòu)，將鏈傳動更換為帶傳動，從而防止由于水面工作導(dǎo)致鏈條生銹造成傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定。最后，增加控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，通過讀取各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)對裝置工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，從而保護(hù)好裝置，以免由于硬件問題裝置繼續(xù)工作從而造成更大的損失[5]。

本研究主要介紹了一種適用于海洋垃圾采集、存儲為一體的海洋垃圾清理裝置。提出了一種基于循環(huán)梯級的新型機(jī)構(gòu)，在原有自動扶梯結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)良改進(jìn)，更加適應(yīng)垃圾清理工作。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與優(yōu)良控制系統(tǒng)的緊密結(jié)合，從而達(dá)到更好的清理效果。