景區(qū)水面垃圾清理船設(shè)計

江達飛　毛玉青

【摘 要】針對小型河流和景區(qū)水域垃圾污染日益嚴重的問題，結(jié)合MSP430F5529單片機設(shè)計實現(xiàn)了一種能夠自動清理水面漂浮物的垃圾清理船。船體使用大容量鋰電池進行供電，控制方式支持手動控制和自動控制兩種形式，手動遙控采用2.4G航模遙控器，遙控距離遠，在船體出現(xiàn)問題時可確保正確返航；自動控制系統(tǒng)采用MSP430F5529主控芯片結(jié)合超聲波、AHRS等傳感器，可實現(xiàn)船體對水面進行“逐行式”的清理。

【關(guān)鍵詞】水面垃圾清理船；MSP430F5529；自動控制

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，水污染問題日益嚴重，部分人環(huán)境意識薄弱，直接將垃圾丟棄于河道中，致使江河、湖泊中漂浮著大量垃圾，造成河道堵塞，水體發(fā)臭。另外景區(qū)水域由于受到發(fā)展迅猛的旅游業(yè)和自然條件的影響，水面往往漂浮著白色垃圾和落葉，使得景點的旅游價值大打折扣。水面垃圾對經(jīng)濟發(fā)展已造成嚴重影響，如何有效清理已迫在眉睫。

目前，日本、歐美等國家相繼投入巨額資金用于研制水面垃圾清理裝置，例如，加拿大的PELICAN公司研制的A系列1010型清掃船采用單體船型，具有清掃水面垃圾、油污水處理、曝氣、消防等4方面功能。國內(nèi)水面垃圾清理的方式主要由兩種，第一，依靠人工清理的方式，由于清理人員相對較少，工作量大、工作環(huán)境又存在著一定的風(fēng)險，因此這種方式清理效果并不理想；第二，使用燃油驅(qū)動和人工駕駛的機械裝置，例如，上海市廢棄物處置公司研制的水面漂浮物打撈船，采用雙船體設(shè)計，打撈裝置采用傳送帶形式，克服了以往人工打撈及抓斗間隙打撈的缺點，打撈速度快，勞動強度低。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出比較先進的水面垃圾清理裝置，但是體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以攜帶，不利于面積較小且形狀復(fù)雜多變的河道和景區(qū)水域的垃圾清理，另外使用燃油驅(qū)動還存在著空氣及噪聲污染等問題。

1 工作原理

1.1 總體布局

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，它內(nèi)部安裝有兩個直流電機，通過改變電機的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)船體直行，轉(zhuǎn)彎等操作，船身上安裝由太陽能電池板，可以對船體內(nèi)部的鋰電池進行充電，增加船的作業(yè)范圍，船體兩側(cè)安裝有葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生正向強烈水流，將漂浮的垃圾收集到網(wǎng)狀的垃圾收集箱內(nèi)。

1.2 硬件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖2所示，其中主控芯片使用TI公司的MSP430F5529，該芯片主頻達25MHZ，擁有8kb的ram以及256kb的flash，支持ucosII操作系統(tǒng)移植的基本需求；3個TA0定時器，支持10路PWM波輸出或捕獲，滿足電機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、遙控器模塊的需求。PWM波使用硬件產(chǎn)生器而不是軟件模擬，可以使得PWM波產(chǎn)生獨立于CPU，系統(tǒng)的效率將變得更高。使用定時器而不是使用外部中斷進行時間測量，可以使得測量精度更加精確。在利用外部中斷進行測量時，當(dāng)捕獲到邊沿信號，CPU需要進入中斷服務(wù)子程序才能對定時器的計數(shù)進行保存，而使用定時器進行時間捕獲時，當(dāng)邊沿信號被檢測，定時器能夠立即將當(dāng)前的計數(shù)值鎖存相關(guān)寄存器中，然后再進入中斷服務(wù)子程序，免去了進入中斷所消耗的時間；支持2路串口，可實現(xiàn)AHRS及藍牙串口數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送；豐富的I/O，滿足不同的控制需求。

超聲波模塊用于探測岸邊或者大型障礙物，保證船體在靠近障礙時能夠及時的規(guī)避。本設(shè)計中超聲波使用KS109模塊，它具有測試距離遠，波束角小等特點，可以實現(xiàn)10度以內(nèi)的極小束角，可以有效的避免水面反射超聲波，造成測量錯誤。另外，考慮到供電鋰電池在使用的過程中存在電壓波動以及執(zhí)行穩(wěn)壓功能的開關(guān)電源芯片存在較大噪聲，對超聲波探測距離存在較大干擾，該傳感器具備了可調(diào)濾波降噪技術(shù)，在電源電壓受到干擾或噪聲較大時可有效抑制其對測距的影響。

AHRS傳感器內(nèi)部集成了MPU-6050三軸陀螺儀和三軸加速度芯片、HMC5883L三軸地磁芯片，結(jié)合內(nèi)部IMU算法，可以精確的測量出船體當(dāng)前的俯仰、橫滾、航向等信息，利用單片機、直流電機和PID算法可以精確的控制船體前進時的航向。

船體采用12v直流高速電機，其轉(zhuǎn)速最高可達11500RPM，電流在額定工作時為1.8A，在堵轉(zhuǎn)時電流超過14A。船體在剛運行時，水體阻力較大，電流將超過14A，因此在本設(shè)計時，電機驅(qū)動模塊采用高性能、大功率MOS管H橋電路，其最大支持60A電流，保證船體安全運行。另外由于電機功率較大，對控制板可能會造成干擾，因此在輸入端增加了10M高速光耦隔離，使系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，軟件開發(fā)前，首先在F5529單片機上移植了ucosii嵌入式實時操作系統(tǒng)，它是一個搶占式，多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以實現(xiàn)多個傳感器以及控制任務(wù)并行運行。使用實時操作系統(tǒng)可以使得開發(fā)人員將精力集中在應(yīng)用層軟件的開發(fā)上來，減小項目開發(fā)的時間。另外操作系統(tǒng)隔離了軟件層和底層硬件，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

μC/OS-II擁有250個優(yōu)先級，系統(tǒng)保留了最高以及最低的四個優(yōu)先級，用戶可以分配的優(yōu)先級范圍是4～245，且優(yōu)先級號越低所對應(yīng)的任務(wù)的優(yōu)先級就越高。由于μC/OS-II不支持多個任務(wù)共用一個優(yōu)先級，因此必須為船體控制軟件的每個任務(wù)模塊分配不同的優(yōu)先級。在μC/OS-II中，擁有最高優(yōu)先級的任務(wù)一旦就緒后，就可以立即擁有CPU使用權(quán)，因此它的運行周期總是固定的。而最低優(yōu)先級的任務(wù)在任務(wù)就緒時，需要等待優(yōu)先級比它高的任務(wù)運行結(jié)束后才能被執(zhí)行，由于每次等待的時間并不一致，因此它的運行周期是不固定的，而且這種影響隨著高優(yōu)先級任務(wù)數(shù)量以及所消耗的CPU時間的增大而增大。

根據(jù)μC/OS-II的任務(wù)管理機制，控制軟件必須結(jié)合任務(wù)的相對重要度來對個模塊的運行優(yōu)先級進行劃分?？刂扑惴ń馑?、AHRS傳感器數(shù)據(jù)接收和電機輸出為系統(tǒng)提供控制量，它的延時會給系統(tǒng)帶來滯后效應(yīng)，造成不穩(wěn)定，因此它們的優(yōu)先級較高，分別配置為5，6，7。超聲波數(shù)據(jù)接收模塊用于判斷當(dāng)前船體距離障礙物的距離，當(dāng)有障礙物時，船體可繞行通過。考慮到船體的運行速度較低，并且任務(wù)延時時間為微秒級，所造成的影響較小，因此將它的優(yōu)先級配置為8。人工控制模塊用于切換自動和手動控制模式，在船體出現(xiàn)自動失效時使用，因為船體處于慢速運動，因此它的延時并不會影響到船體的安全性，因此將其的優(yōu)先級配置為9。顯示控制模塊主要是在船體調(diào)試時使用，將船體當(dāng)前的數(shù)據(jù)下發(fā)到上位機上，如果它的運行周期不固定并不影響系統(tǒng)的可靠性，因此將它的優(yōu)先級定為最低的等級10。

電機模塊接收來自人工控制模塊和自動控制模塊的電機控制值，由于電機的速度與PWM波的占空比存在著正比關(guān)系，因此本任務(wù)需要將控制值轉(zhuǎn)化為PWM波的高電平脈寬時間。為了實現(xiàn)這一功能，需要將F5529內(nèi)部的Timer_A定時器設(shè)置為PWM輸出模式，將控制捕獲和比較模式的CAP寄存器設(shè)置為0，使用CCR0寄存器來配置PWM波的輸出周期，CCR1寄存器來配置PWM波的高電平時間。為了能夠使得電機速度控制得更加平滑，PWM波的輸出頻率不能過低，因此將PWM周期設(shè)置為1ms。

超聲波模塊使用IIC總線進行通訊，模塊初始化時通過置位F5529內(nèi)部UCB1CTL0寄存器中的UCMST、UCMODE_3、UCSYNC三個狀態(tài)位，將F5529內(nèi)部的USCI_B模塊配置為IIC同步模式，并且使用UCB1BR0和UCB1BR1兩個寄存器將波特率配置為100khz。超聲波探測距離時，需要使用IIC總線向其發(fā)送一個0xb4命令，它是一個帶溫度補償?shù)木嚯x探測命令，探測距離為0-5m。為了保證在探測超聲波返回之前沒有第二個探測信號發(fā)出，兩次探測命令的最小間隔應(yīng)該保持的87ms以上，因此將該模塊任務(wù)周期設(shè)置為100ms。

人工控制模塊使用Timer_A定時器捕獲遙控接收器三個通道的PWM波高電平脈寬時間，在初始化時，將定時器設(shè)定為上升沿和下降沿雙邊沿觸發(fā)模式，通過判斷TA0CCTL0寄存器中的CCI位來判斷當(dāng)前的邊沿類型。定時器計數(shù)模式采用連續(xù)計數(shù)模式，它的最大計數(shù)值是65535，因此在做時間計算時，還需要考慮到計數(shù)器溢出的問題。另外，由于遙控器信號在傳輸?shù)倪^程中存在一定的干擾，造成測量的PWM波信號會出現(xiàn)偶爾的跳動，因此還需要對測量的數(shù)據(jù)進行處理，僅當(dāng)多次連續(xù)測量的PWM時間小于一定值，才能將當(dāng)前模式切換為人工模式。

2 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于環(huán)境的要求日益提高。景區(qū)水域為了保證不受漂浮物的污染，往往使用傳統(tǒng)人工方式進行清理，消耗大量人力并存在著一定的風(fēng)險性。本設(shè)計使用MSP430F5529作為主控芯片，結(jié)合相應(yīng)的傳感器的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)了船體能夠在不受人干擾的情況下，自主地對水面垃圾進行清理，并在機器出現(xiàn)故障時，能及時接受人工控制，滿足景區(qū)水域垃圾清理的要求。

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[責(zé)任編輯：王楠]