小水域智能清潔船的設計隋環(huán)斌曾實現

曹傳劍

摘要：系統(tǒng)通過方案設計、分析、測試設計而成，由自動追光系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、影像傳輸系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。該設計科學高效的綜合利用混合能源，采用自動追光系統(tǒng)，主要是由光敏電阻來實現對光強信息的采集，數據通過芯片進行比較處理。后根據時間與電機轉動角度之間的對應關系，計算出當時太陽的高度角和水平轉動的角度，控制太陽能電池板對準太陽。從而最大限度的利用太陽光。GPS定位系統(tǒng)與影像傳輸相結合實現水域內船體和垃圾的準確定位，以及在與傳感器的人機交互中避免船體在通過較復雜環(huán)境下產生碰撞。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動力系統(tǒng)轉動，把由攔截系統(tǒng)所集中的垃圾通過抓盤在傳送帶的轉動下將垃圾回收至垃圾箱。船體采用雙船體結構既方便太陽能板的安裝又能夠使船體在行進和作業(yè)過程中保持穩(wěn)定運行。我們設計的作品在安裝、使用方便，適合用戶自購、自管、自用。

關鍵詞：自動追光系統(tǒng);GPS定位系統(tǒng);人機交互;攔截系統(tǒng)

1.總體方案設計

通過方案設計、分析、測試設計而成，由太陽能自動追光系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、影像傳輸系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。如圖1所示。

2.機械結構設計

2.1船體設計

整體采用雙船體結構，同時也可以放置太陽能電池板，安裝螺旋槳、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)和回收垃圾裝置主要位于中間的船體。這樣的設計不僅外觀漂亮，而且結構合理，有利于船的平衡。

2.2太陽能自動追光系統(tǒng)設計

在考慮單一方向一組太陽能綜合利用率較低的情況下，采用了兩組太陽能板結合鋰電池一起為整個系統(tǒng)供電。為實現太陽能能源的高效利用采用自動追光系統(tǒng)。設計采用一種時時控制模式，該模式的控制部分主要是由光敏電阻來實現對光強信息的采集，采集的數據傳給ARM芯片進行比較處理。4個光敏電阻被安排在四個象限中，中間用擋板擋住。

2.3攔截機構、抓盤、回收箱的設計

在雙船體中間位置外加半弧形的攔截機構，這樣可以使得垃圾在較大區(qū)域內集中向抓盤所在位置移動最終實現垃圾通過傳送帶傳動進入回收箱。這樣實現垃圾最大效率的撈取和回收。

3.控制系統(tǒng)設計

3.1傳感器系統(tǒng)

船只的兩側分別裝有兩個光電傳感器主要是為了避免在作業(yè)過程中產生碰撞，防止對船體自身造成損害。也讓其在較寬闊的水域進行探測障礙物，可以自己智能改變方向和速度，避免碰撞，可以實現無人操作自動作業(yè)[1]。

3.2電機驅動

雙船體推力是采用雙螺旋槳推動，獨立電機，分別位于兩個船體的后部，這樣控制就靈活，而且也有足夠的動力。

3.3穩(wěn)壓電源模塊

穩(wěn)定的電源對于一個控制系統(tǒng)來說至關重要，關系到系統(tǒng)能否正常工作，因此在設計智能車系統(tǒng)時為各個模塊配置了合適、穩(wěn)定的電源并且在電路設計上盡量避免不同電源和相同電源不同模塊之間的干擾，保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。智能車系統(tǒng)的總的電源供應來自7.2V大容量鎳鎘電池，攝像頭以及大多數芯片均為5V供電，單片機最小系統(tǒng)需要3.3V低壓。

3.4電機驅動模塊

本系統(tǒng)使用的是BTN7960B芯片作為驅動電路，需要采用2塊BTN7960B半橋驅動芯片組成一個全橋電路。BTN7960應用非常簡單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制[2]。當系統(tǒng)中只需要單向控制時，只需要讓電機一端接地，另一端接BTN7960第4引腳。如果需要電機雙向旋轉控制，則需要另一片BTN7960共同組成全橋。系統(tǒng)利用單片機輸出PWM信號通過隔離芯片74HC244來控制直流電機驅動芯片BTN7960，通過改變PWM波的占空比調節(jié)電機的轉速，加上PID法對電機轉速進行閉環(huán)控制。

4.系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件使用C語言編寫而成，采用模塊化設計思想，以主程序為核心[3]，設計了單片機初始化模塊、速度控制模塊、方向控制模塊、串口發(fā)送模塊、液晶顯示等模塊。整體設計實物圖如圖2所示。

參考文獻：

[1]中國礦業(yè)大學：基于機器視覺的太陽能小型水域智能清潔船[J].中國電力教育，2017（08）：66-67.

[2]廖志青，范汝健，莊宇業(yè)，等.遠程操控水面漂浮物清潔船的設計與應用[J].裝備制造技術， 2016（12）：142-143.

[3]范汝健，莫澤生，莊宇業(yè)，等.基于51單片機的遠程操控清潔船設計與控制系統(tǒng)[J].裝備制造技術，2017（5）：298-299.

作者簡介：

隋環(huán)斌（1997-），男，漢族，山東臨沂人，學生，機械工程專業(yè)。