智能保潔水面機器人的研制

丁治潔

摘? 要：國內水生態環境的現狀不容樂觀，河流、河道、湖泊、水庫、景觀水域和海域漂浮物污染十分嚴重，目前基本上都是靠人工打撈作業，效率低下，安全沒有保障。本項目研制的水面清潔機器人是國內首艘能在B級航區自主作業的智能裝備，已經在黃浦江正式上崗作業。文章分析了該水面機器人的基本原理、結構和關鍵，為國內外同行提供了該技術領域的技術發展思路和經驗。

關鍵詞：智能保潔;水面機器人;研制

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0031-02

Abstract： The present situation of domestic water ecological environment is not optimistic. the pollution of rivers， lakes， reservoirs， landscape waters and floating objects in sea areas is very serious. At present， it is basically rely on manual salvage operations， low efficiency and no guarantee of safety. The water surface cleaning robot developed in this project is the first intelligent equipment which can operate independently in the B-class navigation area in China. it has been officially put into operation in Huangpu River. In this paper， the basic principle， structure and key of the water surface robot are analyzed， and the technical development ideas and experiences in the technical field are provided for the counterparts at home and abroad.

Keywords： intelligent cleaning; water surface robot; development

黃浦江、蘇州河（簡稱一江一河）是上海市兩張靚麗的名片和標志性空間，更是上海落實十九大精神和上海2035的重要載體。同時上海發達的水系也帶來了管理上的巨大壓力，特別是水面垃圾的清理工作量巨大，同時也影響了上海大都市的形象。上海水域環境發展有限公司擔負著上海核心景觀水域的保潔服務、船舶廢棄物和生活污水收集及水域環境專業污染防治的重任，水域保潔區域覆蓋上海的“一江一河”。目前在一江一河的清潔工作主要由垃圾清理船和人工來完成，但是對于狹窄的河道和河道夾檔卻難以清理，只能用人工和簡易的打撈工具來完成，費時費力，同時又影響上海的形象，如圖1所示：

綜上所述，開發一種自動化程度高、可以遠程通訊和控制、適應上海一江一河水面垃圾特點的水面機器人是非常有必要的。

1 國內外研究現狀

國內外在水面垃圾清理方面也有少數自動清理無人船（清潔機器人），但是船體小、垃圾收集量小、垃圾不能太大、續航時間有限[1，2]。美國巴爾的摩港（Baltimore Harbor）的垃圾輪先生（Mr. Trash Wheel）是一種固定式的自動清潔裝置，清潔垃圾的效率高[3]。然而上述產品都存在著一定的缺陷，國內的垃圾清理無人船太小，只能清理小體積較輕的漂浮物;動力不足，一次清理的時間和垃圾量都很有限;特別是智能化程度低，基本上都是基于嵌入式系統，沒有通用計算機平臺，無法運行人工智能和復雜智能感知系統，例如沒有用于復雜障礙探測和識別的激光雷達或者圖像識別系統，無法在復雜河道中自主巡航和避障，因此只能算是初級無人船。國外的雖然可大規模清理垃圾，但是在特定的地點固定清理垃圾。2018年11月份，由上海城投環境下屬上海水域環境發展公司和中國科學院合肥智能機械研究所聯合研制的國內首艘智能保潔水面機器人在黃浦江正式運行作業，與40米水面保潔船構成子母船保潔系統，用于保障進博會期間上海市黃浦江的水面保潔任務[4]。

2 智能保潔水面機器人總體設計

智能保潔水面機器人為航行于內河B級航區（黃浦江水域）的智能裝置，主要清理水面垃圾并統一回收垃圾，水面機器人參數：

總長：7.00m，總寬：2.30m，型深：0.88m，設計吃水：0.50m（排水量4.8噸），發電機功率：30kW，鋰電池組標稱電量：29000Wh（29度電），經濟航速：1-1.5m/s，最大航速：3.0m/s左右，航區：B級。

關鍵功能指標：

（1）能自動識別巡航路線上的障礙物并自主規劃路

徑;

（2）具備自主巡航功能，能自主優化和決策巡航路徑;

（3）具備自主巡航、遠程駕駛和遙控三種操作模式;

（4）具備4G多卡多模通信，主控計算機和嵌入式控制板雙模控制。

3 軟硬件設計

水面機器人分別采用遙控、網絡遠程控制和自主巡航三種模式，其中網絡采用4G多卡多模通信模塊，船載電腦和主板分別采用獨立的網絡通信協議，實現雙通信冗余備份，船載電腦和主板都可以獨立進行自主巡航，確保系統的可靠性。采用基于高精度北斗地圖的全局路徑優化和三維動態地形匹配的局部路徑追蹤無人駕駛算法，具備在狹窄河道自主巡航功能，解決無人駕駛技術中復雜水域和狹窄河道地形精準匹配和動態避障問題;船載高清攝像系統實時監測水面漂浮物，通過圖像識別算法對漂浮物進行識別和分類，解決水面復雜背景下的圖像識別和機器學習算法問題。如圖2所示：

4 性能測試與驗證

我們對自主避障和巡航進行了實地試驗：

（1）自主避障試驗

測試方法：分別用黃浦江上的浮標和大船進行測試，首先測試目標的識別，即使較小的浮標也能準確的識別，其次是距離的探測，在100米內都能顯示在船載電腦上，浮標的探測距離為60米左右，避障的閾值為40米，通過測試，均能探測和避開障礙，對于大船和岸邊避障效果也非常有效，如圖3所示。

（2）自主巡航試驗

測試方法：在智能終端上操作自主巡航，在地圖上確定巡航的點，地圖上將自動顯示巡航路徑，水面機器人開始巡航，并把實際路徑顯示在地圖上，通過實際路線和理論路徑間的偏差，在地圖上計算偏差，通過計算，在水流穩定的情況下，誤差在0.5米之內，藍色標記為擬巡航點，紅色標記為水面機器人實時位置，如圖4所示。

5 結論

綜合以上實地試驗結果，智能水面機器人通過云終端模式實現智能通信，提高了數據的傳輸效率及可靠性，采用神經網絡等人工智能算法，高效的解決了水面漂浮物識別和分類，利用激光雷達采集的環境數據，應用基于高精度北斗地圖的全局路徑優化和三維動態地形匹配的局部路徑追蹤無人駕駛算法，實現了實時的無人遙控及動態避障。

參考文獻：

[1]蔡孟凱，黃淑新，賀詩，等.城市小型湖泊水面智能清潔裝置設計[J].機電工程技術，2018（2）：49-53.

[2]孫強，王莎莎，荊世翔，等.基于光伏發電技術的水上清理機器人動力系統設計[J].科技與創新，2018（14）：122-123.

[3]陳華勇，方鼎，洪錕，等.水上垃圾清理機器人[J].兵工自動化，2018（11）：89-92.

[4]占金鋒.40m雙體全自動水上垃圾清掃船的研制[J].江蘇船舶，2018（3）：1-3.