基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置研究＊

李福冬，唐 甜，2，孟德明，2，陳尉棋，曹新玉，楊弦璀，廖夢(mèng)杰

（1.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)電子電路國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，廣西 桂林 541004）

截至2022 年，全球水面垃圾數(shù)量將達(dá)6 億t，不僅污染環(huán)境，還造成資源浪費(fèi)。對(duì)垃圾的回收是綠色家園建設(shè)的保證，引起了全民的關(guān)注，目前市面上出現(xiàn)了一些垃圾回收的裝置[1-2]。本文基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置，可全天候24 h 工作，擁有GNSS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無人自主工作，攜帶九軸傳感器，可以克服極端天氣，實(shí)現(xiàn)了安裝平衡及正常工作。此外還配置了太陽能電池板，提高裝置的續(xù)航能力。

1 水面垃圾回收裝置的研發(fā)現(xiàn)狀分析

“廈門灣海漂垃圾漂移軌跡預(yù)測(cè)系統(tǒng)”是在西北太平洋、臺(tái)灣海峽及中國沿海港灣的水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合廈門海洋垃圾監(jiān)測(cè)與防治的管理需要進(jìn)行的精準(zhǔn)研發(fā)[1]。該系統(tǒng)基于天氣預(yù)報(bào)模型、海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模型，融合了海漂垃圾實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，模擬并預(yù)測(cè)廈門灣海漂垃圾漂移軌跡，然后通過廈門大學(xué)海洋監(jiān)測(cè)與信息服務(wù)中心進(jìn)行發(fā)布和推送。

歐洲SeaClear 科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可在水下收集垃圾的機(jī)器人系統(tǒng)——“凈?！保撓到y(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)算法和聲學(xué)傳感器將垃圾與動(dòng)植物區(qū)分開來，使用定制設(shè)計(jì)的抓取器和抽吸設(shè)備收集檢測(cè)到的垃圾，并將垃圾放到位于水面的收集箱中。通過多主體控制技術(shù)，將所有機(jī)器人都相互連接，除了設(shè)置一個(gè)機(jī)器人的初始命令外，整個(gè)系統(tǒng)無需人工干預(yù)。

海上垃圾回收裝置正在向小中型機(jī)器人研究進(jìn)發(fā)，采用MSP430 單片機(jī)下C 語言編程設(shè)計(jì)，能大大提高處理問題的能力[3]；使用超聲波避障尋找垃圾，對(duì)垃圾位置進(jìn)行精確定位；采用太陽能源與電池結(jié)合的電能供給方案，提高工作效率。

2 水面垃圾回收裝置的工作機(jī)理分析

2.1 人工智能算法

通過采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在多個(gè)函數(shù)的控制下構(gòu)建復(fù)雜而完整的系統(tǒng)，通過高質(zhì)量擬合效果的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高對(duì)識(shí)別對(duì)象具體的信息處理的能力。本裝置利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的云計(jì)算，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，相對(duì)于傳統(tǒng)的回收裝置，擁有更高的數(shù)據(jù)信息檢索能力和更快的信息匹配能力，在高效回收垃圾的同時(shí)，不影響水中生物的正常棲息。

2.2 太陽能動(dòng)力源

太陽能動(dòng)力源的核心為太陽能發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，為水面垃圾回收裝置提供源源不斷的電能。用數(shù)字信號(hào)處理作為系統(tǒng)控制核心，以Boost 升壓電路作為主回路，同時(shí)還有逆變電路、并網(wǎng)跟蹤零電路等其他外圍電路組成太陽能發(fā)電系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用到的是單片機(jī)STM32 系列[4]，可通過主板設(shè)計(jì)來改善系統(tǒng)抗干擾能力及擴(kuò)展能力，擁有超低的研發(fā)成本，實(shí)時(shí)性能好，更適合于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 水面垃圾回收裝置

將水面垃圾回收裝置放置于水流湍急的漩渦處，利用水流的流動(dòng)性，將水面垃圾匯集到垃圾回收裝置附近，不僅可以節(jié)省能量，還可以提高垃圾回收效率。只需要消耗較小的能量作為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)能量的最大利用。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以將裝置的能耗降低3%，再加上太陽能裝置不斷發(fā)電，實(shí)現(xiàn)裝置更高的續(xù)航。對(duì)于水面垃圾的識(shí)別，采用CCD（Charge Coupled Device）傳感器，將電荷轉(zhuǎn)換成為電壓，然后進(jìn)行AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換得到圖像，用時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，將生成的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理，分辨是否為水面垃圾。

3 水面垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

水面垃圾回收裝置設(shè)計(jì)過程中，外形設(shè)計(jì)為圓滑桶形，減少裝置在水面移動(dòng)所產(chǎn)生的阻力。在上表面安裝一塊太陽能板，當(dāng)太陽光照射時(shí)，將它產(chǎn)生的能量不斷地轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存到圓桶形底部的電池中。在圓形桶上部安裝浮力倉裝置，以便水面垃圾回收裝置能夠懸浮在水面上。推進(jìn)器安裝在圓桶兩側(cè)的中上部，讓水面垃圾回收裝置能夠在水面上移動(dòng)。在圓桶中部安裝感應(yīng)器和GPS（Global Positioning System）定位裝置，通過紅外感應(yīng)器感應(yīng)，偵測(cè)前方是否存在障礙物，通過CDD 傳感器識(shí)別垃圾，將信息反饋到終端。裝置內(nèi)部設(shè)置成一個(gè)內(nèi)膽，內(nèi)部套上一個(gè)可重復(fù)利用的碳纖維袋子。底部設(shè)計(jì)成圓形的發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，可將周圍垃圾在吸力作用下吸進(jìn)內(nèi)膽袋子，從而完成垃圾的收集。裝置剖面圖如圖1 所示。

圖1 人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置剖面圖

為方便用戶使用設(shè)備，在設(shè)備中加入Wi-Fi 模塊，將工作狀態(tài)信息傳至用戶手機(jī)APP 或PC 端，實(shí)時(shí)了解工作情況，并能夠及時(shí)調(diào)整設(shè)備工作狀態(tài)，保證設(shè)備正常工作。

3.2 水面垃圾回收裝置的功能性設(shè)計(jì)

3.2.1 太陽能板穩(wěn)壓輸出電路

為使太陽能板充電電路能夠在恒電流、恒電壓模式下對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，采用充電芯片TP4056。該芯片集成功率MOSFET 電路的降壓開轉(zhuǎn)換器，有過熱關(guān)斷保護(hù)功能。鋰電池也可以給充電模塊進(jìn)行反向供電，實(shí)現(xiàn)無充電情況下維持低功耗的工作模式，同時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的單片機(jī)不斷檢測(cè)鋰電池的電壓。當(dāng)電壓低于4.2 Ⅴ時(shí)，開啟充電模式；當(dāng)鋰電池的電壓達(dá)到浮充電壓后，芯片將充電的電流降到初始設(shè)定電流值的10%，芯片TP4056 將停止對(duì)鋰電池的充電，同時(shí)將鋰電池的充電電流模式調(diào)整成低電流充電模式，起到保護(hù)電池的作用，提高電池壽命。TP4056 芯片控制流程如圖2 所示。

圖2 TP4056 芯片控制流程圖

3.2.2 平衡和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為使裝置更好地平衡懸浮在水面上工作，采用九軸傳感器模塊MPU9250，對(duì)裝置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；采用超聲波測(cè)距模塊HY-SRF05，測(cè)與前方障礙物之間的距離；采用藍(lán)牙模塊ZS-040，與上位機(jī)建立連接并發(fā)送指令。

采用九軸傳感器模塊MPU9250 首先檢測(cè)裝置的傾斜角度和加速度，并將數(shù)據(jù)傳送至STM32F103 單片機(jī)，單片機(jī)調(diào)用片內(nèi)燒錄的角度控制函數(shù)，使用PD（Priority-driven scheduling）算法計(jì)算出相應(yīng)的PWM（Pulse Width Modulation）波并輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，抵消裝置的傾斜，達(dá)到直立平衡。

超聲波測(cè)距模塊HY-SRF05 通過超聲波發(fā)射器自動(dòng)發(fā)出方波，并且檢測(cè)有無信號(hào)返回，當(dāng)超聲波接收器接收到返回信號(hào)時(shí)，通過I/O 口輸出高電平，由高電平持續(xù)的時(shí)間計(jì)算得到測(cè)試距離。

藍(lán)牙模塊ZS-040在空曠環(huán)境下的有效傳輸距離達(dá)10 m，與上位機(jī)建立連接，發(fā)送前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令控制裝置運(yùn)動(dòng)。平衡和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 平衡和驅(qū)動(dòng)流程圖

3.2.3 傳感器感應(yīng)系統(tǒng)

對(duì)障礙物的識(shí)別處理，采用紅外感應(yīng)技術(shù)。紅外發(fā)射二極管采用直向發(fā)射，有垃圾在附近時(shí)，阻礙紅外線的發(fā)射，一部分紅外線反射回來。通過模塊電路的處理，輸出電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)障礙物的感應(yīng)。

3.2.4 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)-全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（RTK-GNSS）

在水面區(qū)域，由于水流等因素導(dǎo)致裝置視角范圍限制及計(jì)算延遲，不能準(zhǔn)確預(yù)判裝置行駛路線，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)-全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（RTK-GNSS）能夠更好地進(jìn)行工作[5]。

RTK-GNSS 可對(duì)儲(chǔ)存路徑信息及實(shí)時(shí)定位進(jìn)行導(dǎo)航。且GNSS 導(dǎo)航系統(tǒng)采用RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分定位技術(shù)，定位信號(hào)更新頻率最高為10 Hz，動(dòng)態(tài)水平定位精度為±1 cm，動(dòng)態(tài)垂直定位精度為±2 cm。RTK-GNSS 為裝置提供高精度定位信息。慣性傳感器可以自主感應(yīng)水面機(jī)器的3D運(yùn)動(dòng)角速度和線加速度，基于航位推算原理進(jìn)行導(dǎo)航定位，以GNSS定位為主，融合MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）慣性傳感器，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)-全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)-全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

裝置采用基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可以快速獲取圖像，確定識(shí)別的物體。平衡感應(yīng)裝置在感應(yīng)到水面浮動(dòng)后調(diào)節(jié)裝置的平衡，使裝置正常運(yùn)行。該裝置安裝了GNSS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和自主導(dǎo)航系統(tǒng)，可精確定位裝置所在位置，以便于管理員實(shí)時(shí)監(jiān)控。在未來的市場(chǎng)中，可以將該裝置投放于更多的江河流域，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化清理垃圾。在技術(shù)成熟時(shí)，可以對(duì)其部分技術(shù)進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收系統(tǒng)，并給出了該水面垃圾回收裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。該裝置以GNSS 定位為主，融合了MEMS 慣性傳感器，攜帶九軸傳感器聯(lián)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝置可控，針對(duì)水上漂浮式垃圾尤其是水漂垃圾的分散性等特點(diǎn)，可主動(dòng)對(duì)水上漂浮物進(jìn)行生態(tài)打撈，提高中國對(duì)水上漂浮物垃圾的處理效率和質(zhì)量。