景觀水域智能清潔船設(shè)計(jì)

虎嘯鳴，姚 嘉，李 堅(jiān)，蕭友康，陳云帆，許佳楷

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市化進(jìn)程逐漸加快，各城市人工景觀水域與水生態(tài)修復(fù)建設(shè)工程不斷涌現(xiàn)。但是景觀水域由于各種原因往往會(huì)漂浮著一些水面垃圾，不僅造成視覺影響，還會(huì)引起水質(zhì)惡化、水體異味等問題，違背了景觀水域設(shè)計(jì)的初衷[1]。

景觀水域需要的管理工作主要有漂浮的生活垃圾以及樹枝樹葉；由于水草的富營養(yǎng)化，水中還會(huì)有腐敗的水草植物；更有諸如水面船舶漏灑的浮油等嚴(yán)重影響水質(zhì)并產(chǎn)生異味的液體垃圾；人員工作量大，且需要定時(shí)反復(fù)清理，工作內(nèi)容多，而目前市場上的水面垃圾收集船大都是大型船舶機(jī)械，主要應(yīng)用于大范圍大面積水域垃圾的收集，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，價(jià)格昂貴，而且需要專業(yè)人士操作，無法匹配風(fēng)景區(qū)等小型淺水水域的垃圾收集作業(yè)，人工方式回收一般為環(huán)衛(wèi)工人手持網(wǎng)兜等工具直接把垃圾撈上來，然后，劃著船到達(dá)下一處繼續(xù)作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且工人的安全得不到保證[2]。

1 整體設(shè)計(jì)方案

智能清潔船的主體尺寸為1 000 mm×600 mm×250mm，船體空載的重量約為3.7 kg，如圖1 所示。其主要部分包括船體，金屬輸送帶，收集裝置，垃圾打包裝置，垃圾儲(chǔ)存?zhèn)}，動(dòng)力裝置等。船體前部設(shè)計(jì)為前低后高，減輕重量方便放置金屬傳送鏈。船首有2 個(gè)高臺(tái)，加高金屬輸送帶的高度。船身偏置有1 個(gè)方型垃圾存儲(chǔ)倉，用于存儲(chǔ)收集到的垃圾。船尾有1 個(gè)平整的斜面和小平臺(tái)，用于安裝放置螺旋槳，尾部2 個(gè)螺旋槳對(duì)稱放置，通過立式軸承座加緊固定螺旋槳的套筒，從而固定住螺旋槳。直流電機(jī)因其較高的性價(jià)比和穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用在各類型的機(jī)電系統(tǒng)中[3]，螺旋槳采用12 V755 有刷電機(jī)，轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/min，每個(gè)螺旋槳提供大約3 kg 的推動(dòng)力?？刂茩C(jī)構(gòu)部分控制器主板采用Arduino 開發(fā)板。船體前部設(shè)計(jì)前置傳感器為SR04 超聲波測距模塊，紅外相位測距技術(shù)是對(duì)被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)紅外信號(hào)，然后接受目標(biāo)反射回來的光信號(hào)，通過間接測量光信號(hào)的往返經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離[4]。每個(gè)前置傳感器前端安裝有紅外測距模塊，優(yōu)選型號(hào)為GP2Y0A02YK0F，用于避開淤泥堆積，坡度變化較小的河床。前置傳感器的工作過程與現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波測距模塊的工作過程相同。利用自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)清潔船在工作水域按規(guī)定路線巡游進(jìn)行工作。

圖1 清潔船整體圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 收集部分

小型水域清潔船的前部有金屬傳送帶，如圖2 所示，能夠?qū)⑺嫫∥飩魉偷绞占瘋}，同時(shí)讓收集物的水分通過金屬傳送帶過濾進(jìn)水里，只留下收集物。依靠帶傳動(dòng)，穩(wěn)定可靠。

圖2 金屬傳送帶

2.2 垃圾打包部分

當(dāng)前，自動(dòng)打包的垃圾桶大多采用的是熱塑封技術(shù)，配套使用的垃圾袋為塑料的，密不透風(fēng)的。小型水域清潔船的工作的地點(diǎn)為水域，收集的漂浮物，經(jīng)過金屬網(wǎng)鏈的瀝水，仍會(huì)攜帶少量水分，塑料袋顯然不適用于裝載水面漂浮物。針對(duì)上述問題，垃圾存儲(chǔ)倉內(nèi)套著尼龍網(wǎng)袋，存儲(chǔ)倉內(nèi)有通道，能夠使得積水流入水域，能夠有效濾除水分，只留下收集好的漂浮物。

垃圾打包部分主要有外殼、卡槽、塑料推桿、電動(dòng)推桿和滑軌等，如圖3 所示。尼龍網(wǎng)帶套在存儲(chǔ)倉的外殼上，外殼內(nèi)有電動(dòng)推桿、塑料推桿等。當(dāng)收集垃圾的工作完成，垃圾存儲(chǔ)倉上縱向放置的電動(dòng)推桿先向前伸出，塑料推桿的一端與電動(dòng)推桿連接，另一端與滑軌上的塑料滑塊連接，推動(dòng)塑料條向前運(yùn)動(dòng)，而后橫向放置的電動(dòng)推桿再向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)塑料條將尼龍網(wǎng)袋聚攏到U 型槽口處?？v向電動(dòng)推桿的頭部有一鐵片，推桿向前伸出，將聚攏尼龍網(wǎng)袋的同時(shí)，推動(dòng)小鐵片擠壓放置于卡槽內(nèi)的鋁釘，鋁釘?shù)牧硪粋?cè)被擠壓進(jìn)入方型槽，鋁釘受力變形，將鋁釘扣在尼龍網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)尼龍袋放封口，完成打包工作，如圖4 所示。

圖3 打包封口機(jī)構(gòu)

圖4 鋁釘卡槽部分

2.3 水質(zhì)檢測部分

景觀水域一般都有人工飼養(yǎng)的魚，水質(zhì)的好壞關(guān)系到人工魚的存活率，實(shí)時(shí)檢測水質(zhì)對(duì)于管理者是非常重要的。水面清潔船搭載現(xiàn)有的水質(zhì)檢測裝置，與船體控制主板連接，隨時(shí)反饋水域環(huán)境的水質(zhì)，方便管理水域。

2.4 控制部分

控制系統(tǒng)包括控制器主板、信號(hào)接受器及自動(dòng)巡航控制器等元件。事先預(yù)設(shè)好小船的行進(jìn)路線，在行駛的過程中調(diào)成船的航行方向[5]。船使用螺旋槳作為推進(jìn)器，將左右螺旋槳對(duì)稱布置于2 個(gè)單體的尾側(cè)，在其2個(gè)單體內(nèi)部安裝有2 個(gè)直流電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)船體的直行、轉(zhuǎn)彎、停止等系列操作[6]。利用2 個(gè)螺旋槳電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)船體的轉(zhuǎn)向，如圖5 所示。

圖5 差速轉(zhuǎn)向流程圖

2.5 水草收集裝置

小型水域一般深度比較淺，適合水草生長，往往水草叢生。景觀水域也需要種植水草以維護(hù)生態(tài)平衡[7]，對(duì)于過長或者腐敗的水草，如不及時(shí)清理，會(huì)導(dǎo)致水體發(fā)黑發(fā)臭，影響水質(zhì)。小型水域清潔船搭配使用一種旋轉(zhuǎn)水草收集裝置，進(jìn)行水草清潔工作。主要針對(duì)的是金魚藻一類無根或者淺扎根的水草，利用其特性，用旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的方式將其纏繞于收集器上，收集器回縮將水草與河床分離，使其漂浮于水面，清潔船再進(jìn)行收集工作。

水草收集裝置主要包括：外殼、電機(jī)、絲桿、伸縮桿、刀片、纏繞爪、旋轉(zhuǎn)盤等，如圖6 所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)水草收集裝置

當(dāng)需要收集水草時(shí)，水草收集裝置對(duì)準(zhǔn)需要清理的區(qū)域，內(nèi)置電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)伸縮桿（如圖7所示）升高。二級(jí)伸縮桿從三級(jí)伸縮桿的內(nèi)部伸出，先達(dá)到最大伸縮位置，纏繞爪及爪盤從收納罩中伸出。絲桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，三級(jí)伸縮桿到達(dá)最大伸縮位置，三級(jí)伸縮桿伸出的過程中，將旋轉(zhuǎn)盤升起，旋轉(zhuǎn)盤通過3 根連桿與纏繞爪連接，連桿完全伸直達(dá)到最大伸直狀態(tài)，纏繞爪張開到最大。外部電機(jī)帶動(dòng)水草收集裝置旋轉(zhuǎn)，將水草纏繞在收集裝置的纏繞爪上。

圖7 旋轉(zhuǎn)水草收集裝置桿組

旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)水草的收集工作完成，內(nèi)置電機(jī)帶動(dòng)絲桿反轉(zhuǎn)，三級(jí)伸縮桿先縮回，帶動(dòng)連桿向下內(nèi)縮，將纏繞爪變?yōu)槭湛s狀態(tài)。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)伸縮桿回縮，纏繞爪收回收納罩。在纏繞爪收回收納罩的過程中，收納罩上方有3 片均布的刀片，能夠切割纏繞于爪子上的水草，使其落入水中。完成整個(gè)收集動(dòng)作，被纏繞起來的水草將漂浮于水面上，小型水域清潔船的收集部分將其收入尼龍網(wǎng)袋內(nèi)。

3 結(jié)束語

景觀水域智能清潔船適用于大多數(shù)人造景觀水域等小型水域，能夠?qū)崟r(shí)檢測工作區(qū)域的水質(zhì)，根據(jù)不同水域的大小，設(shè)置巡航路線，清潔船按照路線巡航，自動(dòng)收集漂浮物。能夠減輕人工打撈水面漂浮物的壓力，安全可靠有效提高清潔效率。主控芯片的穩(wěn)定信號(hào)傳輸控制各個(gè)部分結(jié)構(gòu)，保證了各個(gè)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，使其共同完成一系列復(fù)雜的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。