水域衛(wèi)士

關(guān)鍵詞：水面機(jī)器人；水域垃圾清理；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

傳統(tǒng)的水面垃圾清理方法，如人工打撈和機(jī)械打撈，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、清理效率低下等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水面垃圾清理機(jī)器人的研究主要集中在自動(dòng)清理無(wú)人船（清潔機(jī)器人）的開(kāi)發(fā)上?，F(xiàn)有的水面垃圾清理機(jī)器人仍存在一些問(wèn)題，例如續(xù)航能力不夠、船體太小、收集的垃圾量太少等。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一種節(jié)能環(huán)保、工作效率高的水面垃圾清理機(jī)器人，以達(dá)到高效清理水面垃圾的目的。

1 水面機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

本方案設(shè)計(jì)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仿照小型水生昆蟲(chóng)水黽在水面上漂浮和滑行的特性來(lái)構(gòu)建機(jī)器人整體框架，利用“生物與仿生”中的相關(guān)知識(shí)，以達(dá)到提高工作效率、減小風(fēng)力阻礙的效果。利用太陽(yáng)能電池功能達(dá)到可持續(xù)綠色循環(huán)的效果。還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)在云平臺(tái)上直觀地統(tǒng)計(jì)出每片水域的水質(zhì)信息，采集這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中分析和挖掘出有價(jià)值的信息，加快水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息的辦公自動(dòng)化分析模式[1]。

2 機(jī)器的推進(jìn)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人推進(jìn)結(jié)構(gòu)的選擇對(duì)其性能的影響至關(guān)重要，主要包括導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器和電機(jī)推動(dòng)器。傳統(tǒng)的電機(jī)推動(dòng)器采用恒電壓驅(qū)動(dòng)方式，可能導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低、震動(dòng)較大，并產(chǎn)生噪聲。這種噪聲不僅影響使用體驗(yàn)，還可能對(duì)機(jī)器人的其他部件造成損害。由于液體流動(dòng)的阻力損失和泄漏均較大，液壓傳動(dòng)的效率較低。這可能導(dǎo)致電機(jī)需要消耗更多的能源以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行工作。無(wú)論GszEwY+IHv8sIQvUIjPnlw==是恒電壓驅(qū)動(dòng)還是高低壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作下都可能產(chǎn)生大量的熱量。這不僅會(huì)影響電機(jī)的性能，還可能縮短電機(jī)的使用壽命[2]。

導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器通過(guò)導(dǎo)管與螺旋槳的精密結(jié)合，顯著提高了水流的速度和壓強(qiáng)，從而大幅提升了推進(jìn)效率。這種設(shè)計(jì)使得水流在導(dǎo)管內(nèi)得以有效引導(dǎo)，減少了水流沖擊，可以使螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)更加高效地將水能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力。導(dǎo)管的外形設(shè)計(jì)可以減少螺旋槳產(chǎn)生的水流噪聲，降低機(jī)器人的噪聲污染。導(dǎo)管螺旋槳在一定程度上可以保護(hù)螺旋槳免受外界物體的碰撞和損壞，抵御外界物體的碰撞。這種設(shè)計(jì)不僅提升了機(jī)器人的耐用性，還增強(qiáng)了其在水域環(huán)境中的穩(wěn)定性和安全性。故選擇導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器作為機(jī)器的推進(jìn)結(jié)構(gòu)。

3 垃圾收集裝置設(shè)計(jì)

在水面垃圾清理中，傳統(tǒng)的鏟斗式垃圾收集裝置由于水流和風(fēng)向的影響，垃圾可能會(huì)漂移，導(dǎo)致鏟斗需要不斷調(diào)整位置，進(jìn)一步降低了收集效率。鏟斗式垃圾收集裝置對(duì)于某些特定類(lèi)型的垃圾（如液體垃圾、黏性垃圾等）可能無(wú)法有效收集，這限制了其應(yīng)用范圍。雖然鏟斗式垃圾收集裝置在水面垃圾清理中有其應(yīng)用，但也存在著操作難度大、效率低下、對(duì)垃圾類(lèi)型和環(huán)境適應(yīng)性有限、維護(hù)成本高、能耗大以及對(duì)操作人員依賴(lài)性強(qiáng)等缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，亟須探索更高效、環(huán)保且自動(dòng)化的水面垃圾清理方法。

本設(shè)計(jì)使用耐腐蝕、耐磨損的材料制成，可以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的水面環(huán)境。整體設(shè)計(jì)呈長(zhǎng)方體狀，內(nèi)部設(shè)有漸變螺紋，通過(guò)水流旋轉(zhuǎn)和抽水泵形成的液面差，可使垃圾順著螺紋向下到達(dá)收集裝置底部。將抽水泵安裝在收集裝置內(nèi)部或附近，用于抽出桶內(nèi)液體，形成液面差，從而帶動(dòng)水流和垃圾旋轉(zhuǎn)進(jìn)入收集裝置[3]。收集裝置底部安裝有一層網(wǎng)，防止垃圾進(jìn)入吸水管阻塞水泵，同時(shí)確保垃圾被有效收集在裝置內(nèi)。通過(guò)調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)，能夠有效控制浮箱的高度狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置上下運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)管理，防止垃圾外泄。這種新型垃圾收集裝置的設(shè)計(jì)，有望顯著提高水面垃圾清理的效率和質(zhì)量。

4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

為解決水面垃圾清理機(jī)器人的連續(xù)用電問(wèn)題，一個(gè)能夠維持整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的供電系統(tǒng)至關(guān)重要。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源。因此，利用太陽(yáng)能供電可以確保水面機(jī)器人擁有持久的能源供應(yīng)，無(wú)須頻繁更換電池或燃料，降低了維護(hù)成本和運(yùn)行成本。太陽(yáng)能無(wú)處不在，具備就地供電的便利性，無(wú)須依賴(lài)長(zhǎng)距離輸送，從而有效避免了因長(zhǎng)距離輸電線路而產(chǎn)生的能源損失。對(duì)于水面機(jī)器人來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可以在任何有陽(yáng)光的地方使用，不受地域限制，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。在水面環(huán)境下，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可以減少因機(jī)械故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高水面機(jī)器人的工作效率和可靠性。如若采用蓄電池，則需要頻繁充電，無(wú)法保證機(jī)器人持久穩(wěn)定地正常運(yùn)行，此外使用存儲(chǔ)量過(guò)大的蓄電池會(huì)額外增加機(jī)器人的負(fù)重，所以采取太陽(yáng)能供電系統(tǒng)作為機(jī)器人能源自補(bǔ)充方式[4]。

太陽(yáng)能電池陣列由多個(gè)太陽(yáng)能電池板組成，每個(gè)太陽(yáng)能電池板包含多個(gè)太陽(yáng)能電池單體。這些電池單體通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合成電池板，進(jìn)而構(gòu)成太陽(yáng)能電池陣列。太陽(yáng)能電池是利用光功率效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種器件，它的基本結(jié)構(gòu)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界而成。當(dāng)光線照射在這個(gè)結(jié)構(gòu)上時(shí)，能量將被吸收，電子被激活，電子從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體流動(dòng)，形成一個(gè)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差可以將電子流動(dòng)變成電流，從而產(chǎn)生太陽(yáng)能電能。安裝太陽(yáng)能電池陣列時(shí)，須挑選陽(yáng)光充足的位置，調(diào)整角度與方向以獲得最佳發(fā)電效果。安裝完成后，需要通過(guò)調(diào)試與測(cè)試，確保電池板連接無(wú)誤、電路暢通、逆變器運(yùn)行正常，從而保障陣列的穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電。

5 視覺(jué)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

圖像預(yù)處理算法采用二值化算法，二值化指的是將原圖通過(guò)閾值把像素值都置為0或255，最終得到一張像素值都為0或255的一維圖像。這一過(guò)程可以將圖像簡(jiǎn)化為黑白兩種顏色，便于后續(xù)的處理和分析。在OpenCV庫(kù)中，可以通過(guò)cv2.threshold（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)二值化。這個(gè)函數(shù)接受源圖像、閾值、最大值和類(lèi)型作為參數(shù)，并返回閾值和閾值處理后的圖像。此外，還可以使用自適應(yīng)閾值方法（如cv2.adaptive?Threshold（）） ，該方法會(huì)為圖像的每個(gè)區(qū)域計(jì)算閾值。全局閾值二值化的公式可以表示為：P（x，y） = { 255， ifP（x，y） > T0，otherwise }。其中，P（x，y）表示圖像中位于（x，y）處像素的灰度值，T是全局閾值。

使用視覺(jué)引導(dǎo)和定位，增強(qiáng)圖像技術(shù)。為了確保自主巡航機(jī)器沿指定路徑行駛，須在視覺(jué)導(dǎo)航過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取導(dǎo)航的方向信息[5]。在導(dǎo)航過(guò)程中，自主巡航機(jī)器通過(guò)實(shí)時(shí)獲取自身位置信息，從而規(guī)劃出下一時(shí)刻行駛的路徑。針對(duì)以上的行駛原理，可采用二維碼導(dǎo)航的方式進(jìn)行自主巡航導(dǎo)航[6]。在導(dǎo)航過(guò)程中，機(jī)器通過(guò)掃描識(shí)別二維碼，并依據(jù)其與自主巡航機(jī)器之間的相對(duì)角度來(lái)確定接下來(lái)的行進(jìn)方向。每個(gè)二維碼都有其獨(dú)特的標(biāo)識(shí)，對(duì)應(yīng)著不同的空間坐標(biāo)點(diǎn)。利用這些二維碼所攜帶的信息，巡航機(jī)器可以輕松地確定自身當(dāng)前位置，并獲取下一步的行進(jìn)指引，使得整個(gè)巡航過(guò)程更加高效和準(zhǔn)確。

6 水質(zhì)監(jiān)測(cè)和水樣采集

對(duì)水質(zhì)傳感器、采樣水泵及相關(guān)零部件進(jìn)行選型分析，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)傳感器采集水質(zhì)參數(shù)和定點(diǎn)水樣采集。從水樣采集數(shù)據(jù)上傳與傳輸?shù)慕嵌葋?lái)看，在利用STM32嵌入式技術(shù)時(shí)，如果通信距離超過(guò)5米，則不建議使用串口，因?yàn)檎`碼率會(huì)顯著增高。而對(duì)于數(shù)據(jù)的格式而言，量數(shù)據(jù)的分包方式，對(duì)于通信包字節(jié)數(shù)較大且包個(gè)數(shù)較少的情況，建議使用TCP協(xié)議；而對(duì)于包字節(jié)數(shù)較少但包數(shù)量特別多的情況，則建議使用串口通信。因此，提出了先將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至平臺(tái)，再?gòu)钠脚_(tái)獲取數(shù)據(jù)并利用數(shù)據(jù)可視化軟件工具制作可視化大屏的解決方案[7]。

7 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的水面機(jī)器人借鑒了小型水生昆蟲(chóng)水黽在水面上漂浮和滑行的特性，據(jù)此構(gòu)建了機(jī)器人的整體框架，使風(fēng)波阻力減小，更加穩(wěn)定，更加輕便，能夠保證機(jī)器人在水面上平穩(wěn)地行駛工作。利用視覺(jué)引導(dǎo)和定位，增強(qiáng)圖像等方式進(jìn)行分區(qū)域?qū)Ш?，GPS 定位機(jī)器人的位置。

采用獨(dú)特的垃圾清理裝置，通過(guò)將抽水泵安裝在收集裝置內(nèi)部或附近，抽出桶內(nèi)液體形成液面差，從而帶動(dòng)水流和垃圾旋轉(zhuǎn)進(jìn)入收集裝置。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能源的持續(xù)供應(yīng)，應(yīng)充分利用可再生能源——太陽(yáng)能。將其作為機(jī)器人的主要能源來(lái)源，并深入研究和優(yōu)化了供電系統(tǒng)，確保其在各種條件下都能穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)環(huán)保，增加機(jī)器人的續(xù)航能力。太陽(yáng)能系統(tǒng)供電不需要依靠外部電源，更加靈活方便。

通過(guò)實(shí)施綜合性的監(jiān)測(cè)和分析機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中心的實(shí)時(shí)同步。這一做法顯著提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析的效率，同時(shí)也推動(dòng)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理向自動(dòng)化、智能化辦公模式的轉(zhuǎn)變。利用預(yù)先設(shè)定的分析算法和模型，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理中心能夠自動(dòng)地對(duì)實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步評(píng)估和分析，并快速生成詳盡的報(bào)告和實(shí)用建議。針對(duì)不同地區(qū)水域的不同情況，對(duì)水質(zhì)傳感器、采樣水泵及相關(guān)零部件選型，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)傳感器采集水質(zhì)參數(shù)的采集傳輸和定點(diǎn)水樣采集。采集這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中分析和挖掘出有價(jià)值的信息?；谖锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)搭建水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，建立水質(zhì)數(shù)據(jù)的物模型，采集水樣在水質(zhì)分析儀中具體檢測(cè)水體的物理、化學(xué)和生物數(shù)據(jù)，從而根據(jù)所檢測(cè)出的數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。本論文的研究成果不僅為小型水域垃圾清理裝置提供了切實(shí)可行的解決方案，而且為其提供了重要的理論支撐。此外，該機(jī)器人的成功研制，為清理小型水域漂浮垃圾帶來(lái)了極大便利，顯示出顯著的使用意義及廣闊的推廣前景。