一種水面清潔機器人及其系統設計

趙陽　趙飛　李依帆　王晨　陳津翟

摘 要：近年來，水面垃圾清理一直是一個熱點。現有人工清理方式不僅效率低，而且存在一定的危險性。鑒于此情況，設計一款水上垃圾清理機器人，以實現對水面垃圾的高效收集是有必要的。該機器人可在水中自由移動收集水面垃圾，其工作所消耗的電能由其太陽能與常規電池結合提供。搭載的視覺系統可采集水面環境信息。該機器人具有自主巡航和手動操作兩種模式，可在大面積水域內作業，完成垃圾的多點精準收集，保證高效率與精確性。

關鍵詞：水面清潔;機器人;自主巡航;太陽能

一、設計目的

該設計的目的是為了實現水面垃圾清理工作的機械化與自動化，研制出一種具有環保、高效、節能特點的水面垃圾清理機器人，該機器人可對水面漂浮物等垃圾的集攏收集、提升和儲運等，對營造綠色的生態環境有著重要的意義。通過使用機器人清理水面垃圾的方式，解決了人工清理效率低、成本高、效果差等諸多問題。

二、硬件系統介紹

該機器人硬件系統由控制系統、供能裝置、運動機構、圖像采集裝置、浮力裝置、垃圾收集裝置、排水裝置構成，具體見圖1。

（1）控制裝置為機器人的功能控制核心，采用stm32f427芯片控制器作為主控，控制側身螺旋槳轉動來使機器人在前后左右方向移動。此外，機器人在水中工作時可切換為手動控制，也可自動控制。手動控制用于水面工作面積較小的環境，操作者通過遙控器對機器人進行控制。自動控制時，該控制器外拓了GPS模塊，可以實時檢測該機器人在水中的速度、位置、航向等狀態。同時有開發的手機app可以對機器人進行控制。

（2）供能裝置則采用太陽能與常規電池相結合的方式由一組蓄電池和多組太陽能電池板構成，太陽能電池將光能轉化為電能儲存在蓄電池中，工作時蓄電池直接供能，供能穩定，節約能源。

（3）運動機構由兩組電機及水泵構成，一組電機安裝在收集桶外壁上，帶動螺旋槳轉動推動整個裝置進行移動，另一組位于裝置上部控制桶內水流產生旋渦，水泵則用來抽出桶內的水，使形成液面差，外部垃圾得以隨水流進入收集裝置。

（4）圖像采集裝置利用廣角攝像頭采集水面環境信息以確定垃圾位置，內置控制系統可控制機器人定點執行垃圾收集功能。同時機器人還可遠程傳輸圖像信號給操作者，操作者可通過手機APP 檢測水面環境，做出相應指示。

（5）浮力裝置由三個浮箱及一系列機械連接裝置構成，在工作狀態下，可通過控制機械結構的傳動調整浮箱的高度狀態來控制整個裝置的上下運動，從而帶動收集裝置來避免垃圾外泄。

（6）收集裝置位于整個機器人的最下部，整體呈子彈頭狀，內有漸變螺紋，通過桶內螺旋槳的轉動，抽水泵抽出桶內液體形成液面差，進而在桶內形成漩渦，使垃圾垃圾順著螺紋向下到達收集裝置底部。在收集裝置底部安裝有一層網，防止垃圾進入吸水管阻塞水泵。

（7）排水裝置由抽水管、抽水泵、排水管組成了裝置的水循環系統，垃圾隨水流一起進入垃圾收集裝置，排水裝置啟動將桶內的水利用抽水泵排出，使得垃圾留在桶內，避免垃圾外泄。

三、基本思路

將該機器人放入指定水域，廣角攝像頭可通過位于鏡頭上方的鏡面圓錐反射采集到水面鏡像信息，確定垃圾所在位置，控制系統控制機器人到達垃圾所在區，進入垃圾收集模式，抽水泵啟動，水流通過空心管由上部排水管排出，使此區域垃圾隨水流流入垃圾桶內。桶內大螺旋葉片旋轉形成漩渦，使垃圾隨水流進入桶底，桶壁設有螺旋槽可防止垃圾外泄，水泵持續工作，內部回路通過上部管道將水排出，垃圾留在桶內。當此區域垃圾收集任務完成后，可控制機器人提升垃圾收集桶，排出桶內的水并自動到達下一指定水域工作。當垃圾收集任務完成后，可遠程遙控器控制返航或一鍵自主返航至指定位置。由工作人員拆卸掉機器人的垃圾收集桶。

四、創新特色

水面垃圾清理工作機械化、自動化是一種必然趨勢。該水面清潔機器人的控制系統設計參考了飛行器控制原理，可使用手機APP或遙控器操控，具有自主巡航功能。圖像采集裝置采用廣角攝像頭配合上方的圓錐形反光裝置采集到水面垃圾位置信息，然后控制機器人前往收集。動力裝置由太陽能板與常規電池結合可有效的延長機器人的續航時間。相信我們的此款水面清潔機器人可以為我國的生態事業建設做出更多貢獻。

參考文獻：

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[2]朱盛穎，郭旭玲，鄧彥松.一種渦旋式水面清潔機器人[J].兵工自動化，2018，37（04）：76-79.