一種水面垃圾智能清理無人船的設計方案

伍玲密 梅奇鎧 蔡宏業(yè)

摘 要：【目的】針對目前水面垃圾清理以人工作業(yè)為主、設備原始且效率低、可能破壞水域植物等問題，本研究提出一種水面垃圾智能清理無人船的設計方案?！痉椒ā坷脙r值與作用分析方法中的Pieuvre圖表法對無人船的設計需求進行分析，并利用CATIA V5軟件對無人船的結構進行三維建模?！窘Y果】本研究從無人船的設計需求分析出發(fā)，對無人船的機械結構進行設計，實現(xiàn)無人船的垃圾收集、壓縮和打包等主要功能，以及觀察、漂浮、避障、動力和控制等輔助功能。【結論】該設計方案具有一定的創(chuàng)新性和可行性，對水面垃圾的自動清理設備的研發(fā)具有一定的工程指導意義。

關鍵詞：無人船；結構設計；自動清理

中圖分類號：U664? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0049-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.009

The Scheme Design of Unmanned Vessel for Intelligent Cleaning of Aquatic Garbage

WU Lingmi MEI Qikai CAI Hongye

（Zhejiang College of Security Technology， Wenzhou 325016， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at the problems of the low efficiency of manual operation as well as primitive equipment， and possible damage to aquatic plants in the current water surface garbage cleaning， this study proposes a design scheme of an intelligent unmanned ship for water surface garbage cleaning. [Methods] The Pieuvre chart method in the value and effect analysis method is used to analyze the design requirements of the unmanned ship， and the CATIA V5 software is used to model the structure of the unmanned ship. [Findings] Based on the analysis of the design requirements of unmanned ships， this study designs the mechanical structure of unmanned ships to realize the main functions of garbage collection， compression and packaging of unmanned ships， as well as auxiliary functions such as observation， floating， obstacle avoidance， power and control. [Conclusions] The design scheme has certain innovation and feasibility， and certain engineering guiding significance for the research and development of automatic cleaning equipment for surface garbage.

Keywords： unmanned vessel; structure design; automatic cleaning

0 引言

目前，水面垃圾清理是以單人乘坐小木船使用漁網(wǎng)或人工駕駛打撈船進行作業(yè)為主，這種清理方式較為原始，不僅效率較低，還有可能對水域植物造成破壞。隨著無人機技術的不斷發(fā)展，水空兩棲無人機、無人航行器等［1-6］水面無人裝備也呈現(xiàn)出結構越來越復雜、功能越來越多樣的趨勢。

為了減輕對水域進行人工清理的工作量，實現(xiàn)對水域生態(tài)環(huán)境的保護，本研究提出一種水面垃圾智能清理無人船的結構方案，可實現(xiàn)對水面垃圾的自動清理。

1 水面垃圾智能清理系統(tǒng)總體方案

水面垃圾智能清理系統(tǒng)是由水面垃圾智能清理無人船、無人機和控制站組成［7］。作為該系統(tǒng)的主體，水面垃圾智能清理無人船主要用于對水面垃圾進行自動清理。

該系統(tǒng)的主要工作原理如圖1所示。無人機使用云臺相機對水域進行巡檢，從而定位水面垃圾所在的區(qū)域，并將位置信息發(fā)送給控制站，可實現(xiàn)實時圖傳?？刂普靖鶕?jù)上傳的水域畫面來判斷水域面積的大小，從而決定是否派遣無人船隊。如果水域面積較小，則只派遣一艘無人船即可完成對水面的清理?？刂普疽獙o人船的任務和路線進行規(guī)劃，無人船在到達指定區(qū)域后，對垃圾進行清理，水面垃圾會先被送到無人船的垃圾收集區(qū)，經(jīng)壓縮、運輸后進入打包區(qū)，打包好的垃圾網(wǎng)由無人機進行回收。

本研究采用價值與作用分析法中的Pieuvre圖表法［8］，先對無人船的需求進行分析，總結出其主要功能和輔助功能，從而對無人船的機械結構進行設計，并利用CATIA V5軟件對其進行三維建模。

2 無人船需求分析

采用Pieuvre圖表法對無人船的需求進行分析，如圖2所示，總結出的主要功能（FP）和輔助功能（FC）如下。FP1：使用者利用無人船來完成垃圾的收集；FP2：使用者利用無人船來完成垃圾的壓縮；FP3：使用者利用無人船來完成垃圾的打包。FC1：無人船能提供實時圖傳畫面；FC2：無人船能漂浮在水面上；FC3：無人船能避開障礙物；FC4：無人船能為自身提供動力。

3 無人船結構方案

從無人船的需求出發(fā)，無人船內(nèi)部的主要結構如圖3所示，包括垃圾收集區(qū)和垃圾打包區(qū)，可實現(xiàn)對水面垃圾的收集、壓縮和打包。而無人船其他輔助部分可實現(xiàn)觀察、漂浮、避障、動力和控制等功能。

3.1 垃圾收集區(qū)

垃圾收集區(qū)是由垃圾壓縮裝置和垃圾運輸裝置構成。為了進一步將水和垃圾分離開，可將垃圾收集區(qū)整體設計為網(wǎng)格狀結構。網(wǎng)格狀結構能有效減小箱體的整體重量，降低能耗，并實現(xiàn)垃圾與水的分離，只將垃圾留在收集區(qū)內(nèi)。

3.1.1 垃圾壓縮裝置。垃圾壓縮裝置是由固定側板、活動側板以及用于實現(xiàn)側板運動的導軌和動力機構組成。固定側板和活動側板主要用于壓縮垃圾，能有效減小回收垃圾的體積。固定側板安裝在垃圾收集區(qū)的最后方，其與活動側板配合，來實現(xiàn)對垃圾的壓縮。固定側板上設置有尖刺，用于刺破垃圾，排出多余的水，能有效減小垃圾的體積。濾水孔用于對垃圾進行過濾，只將垃圾保留在收集區(qū)內(nèi)，將水排出倉外。安裝的紅外傳感器可檢測收集區(qū)內(nèi)的垃圾是否已滿，并將信息傳遞給控制模塊?；顒觽劝迮c固定側板的結構相似，上面設置有尖刺和濾水孔，用于刺破垃圾，減小垃圾的整體體積，并將水過濾出去?；顒觽劝逋ㄟ^與第一滑板配合，依靠以第一電機為主的導軌及動力機構，可實現(xiàn)活動側板的移動和旋轉，并將垃圾進行壓縮處理。

3.1.2 垃圾運輸裝置。垃圾運輸裝置由電機-齒輪-齒條機構（包括第二電機、第二齒輪和第二齒條）、第一壓板、第二壓板、第二連桿和導流筒組成。要保證第二壓板、導流筒和垃圾網(wǎng)同軸度，第二壓板的外徑與導流筒內(nèi)徑相匹配，第二連桿長度與導流筒高度匹配，能保證垃圾高效運輸?shù)綄Я魍驳淖畹投耍瑥亩樌M入垃圾網(wǎng)。限位塊位于第二齒條頂部，可避免齒輪與齒條發(fā)生脫離。將第一壓板的兩側設計為鋸齒結構，分別與活動側板和固定側板的尖刺進行配合，可避免壓板在運行過程中受到阻擋。第一壓板和第二壓板都設有濾水孔結構，從而減小壓板下壓的阻力。當固定側板的紅外傳感器檢測到垃圾已滿（垃圾量達到設定值）時，第二電機工作，帶動第二齒條向下移動。齒條、第一壓板和第二壓板之間為剛性連接，壓板由齒條帶動，并向下運輸壓縮后的垃圾。在垃圾運輸完成后，電機反轉，齒條帶動壓板向上運動，回到初始位置，等待下一次的垃圾運輸。

3.2 垃圾打包區(qū)

垃圾打包區(qū)如圖4所示，其主要由垃圾網(wǎng)切換裝置和垃圾打包裝置組成。無人船能在電量允許的情況下，依次完成三桶垃圾的收集。

3.2.1 垃圾網(wǎng)切換裝置。垃圾網(wǎng)切換裝置是由電機-齒輪機構（包括第三電機和變向組件）、轉盤和三個均勻分布的垃圾網(wǎng)組成。變向組件安裝在垃圾收集區(qū)底部的外殼內(nèi)，外殼與垃圾收集區(qū)的底部存在一定間隙，從而保證水流能順利從收集區(qū)的底部通過。外殼整體為密封結構，底部裝有密封墊圈，可避免其在帶動轉盤旋轉過程中出現(xiàn)滲水的情況。垃圾網(wǎng)切換裝置的動力是由第三電機提供的。變向組件是由一對交錯的軸斜齒輪組成的，由電機帶動旋轉，從而帶動轉盤同步旋轉，使其中一個垃圾網(wǎng)轉動到與導流筒同軸的位置，等待垃圾運輸裝置將垃圾壓入到網(wǎng)內(nèi)。在導流筒與垃圾網(wǎng)的豎直方向上設有較小的間隙，一方面能避免轉盤在旋轉過程中與導流筒發(fā)生干涉現(xiàn)象，另一方面也能避免大量垃圾從該間隙處流出。當裝滿垃圾的垃圾網(wǎng)被回收后，轉盤轉動，使下一個空的垃圾網(wǎng)轉動到與導流筒同軸的位置，等待將垃圾運輸出去。將垃圾網(wǎng)設計為網(wǎng)格狀結構，其網(wǎng)格尺寸與垃圾收集區(qū)的網(wǎng)格尺寸一致。

3.2.2 垃圾打包裝置。為了保證三桶垃圾能依次完成打包，轉盤上設有三套垃圾打包裝置，每套打包裝置都是由一個收緊電機、一個收緊盤、一個扎帶和一個切刀組成。每個垃圾網(wǎng)的頸部都設有一個凹槽結構，便于安裝扎帶，扎帶末端固定在收緊盤上。當垃圾全部被運輸?shù)嚼W(wǎng)后，收緊電機開始工作，帶動收緊盤轉動，將扎帶繞在收緊盤上，垃圾網(wǎng)口逐漸被收緊。切刀主要由刀本體、刀座、護板和彈簧構成。垃圾打包裝置如圖5所示，刀座固定在轉盤上，護板與底座之間通過兩個彈簧連接在一起，刀片固定在底座側面。護板底面與轉盤之間有一定的間隙，避免護板在工作過程中因與轉盤發(fā)生摩擦而造成磨損。當護板未受到外力擠壓時，彈簧保持原長，刀本體尖端位于護板與刀座之間，無法進行切割。當護板受到外力擠壓而使彈簧被壓縮時，刀本體通過護板中心的方形孔，其尖端露出護板表面。因此，當扎帶被收緊盤拉得越來越緊時，扎帶末端對切刀護板的擠壓逐漸增大，使刀本體的尖端慢慢露出，與扎帶接觸，并逐漸壓迫扎帶。當扎帶受到的壓力超過一定值時，扎帶被切斷。在垃圾網(wǎng)完成打包后，無人機到達無人船附近上空，對垃圾進行回收。

3.3 輔助功能的結構方案

觀察模塊位于船體的頂部，可實現(xiàn)360°旋轉和上下伸縮，保證良好的視野，為控制站提供實時圖傳畫面［9］。

根據(jù)受力分析結果，可將漂浮模塊設計為體積較大的殼體結構，位于垃圾收集區(qū)的三個側面，可為無人船提供浮力，增加無人船的整體承載力，從而保證船體能漂浮在水面。供電及控制模塊安裝在漂浮模塊內(nèi)部，為整個無人船提供動力，控制各電機的運行，實現(xiàn)對無人船工作流程的控制及與控制站的通信［10］。漂浮模塊上表面設有殼體開口，打開后可為內(nèi)部的供電模塊進行充電。漂浮模塊的前后左右四個方位共設有五個避障模塊，從而實現(xiàn)無人船的避障功能。

無人船船體兩側裝有動力模塊，即兩個推進器，可驅動無人船前行。當兩個推進器的轉速相同時，無人船保持直線運動，當兩個推進器的轉速不同時，可實現(xiàn)無人船的轉彎。

4 結語

本研究對水面垃圾智能清理無人船的結構進行設計，從無人船的需求分析出發(fā)，對垃圾收集、壓縮和打包等主要功能以及觀察、漂浮、避障、動力和控制等輔助功能進行機械結構設計。研究結果表明，該設計方案具有一定的創(chuàng)新性和可行性，對水面垃圾的自動清理設備的研發(fā)具有一定的工程指導意義。

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