自動化垃圾收集船的設(shè)計與應(yīng)用

甘鴻程 林超宇 黎凡 楊厚林 胡雅琛 郭帥 劉浩 聶寒璐

（1.哈爾濱理工大學(xué) ?黑龍江哈爾濱 ?150080;2.西南石油大學(xué) ?四川南充 ?637000;3.南京林業(yè)大學(xué) ?江蘇南京 ?210037;4.江西財經(jīng)大學(xué) ?江西南昌 ?330013;5.南京郵電大學(xué) ?江蘇南京 ?210023;6.大連理工大學(xué) ?遼寧盤錦 ?124221）

摘 ? 要：為了改善和解決中小型河道、湖泊等環(huán)境下的水面漂浮垃圾污染的嚴(yán)峻形勢和問題，本文設(shè)計了一種基于STM32單片機(jī)的自動化垃圾收集船。該垃圾收集船由雙體船船體，回槳齒輪箱，動力推進(jìn)系統(tǒng)，自動化電控平臺，垃圾收集網(wǎng)組成;實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)回槳，減小阻力的同時經(jīng)圖像處理后自動收集漂浮垃圾;多端口吸水管道增加排量的同時并吸附物體，物聯(lián)網(wǎng)接入，多端通信可控等功能。本垃圾收集船改善并提高了中小型河道，湖泊等環(huán)境下的水面垃圾收集人工步驟繁瑣安全性差和收集效率的問題。

關(guān)鍵詞：河道 ?固體懸浮垃圾 ?垃圾收集船 ?自動化 ?自動化收集

中圖分類號：U6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0070-02

Abstract： In order to improve and solve the tough situation and serious problems of floating garbage pollution on the surface of small and medium-sized rivers and lakes. This paper designs an automated garbage collection boat based on STM32 single-chip microcomputer technology. ?The garbage collection boat is composed of a catamaran hull， a gear box casing， a power propulsion system， an automatic electronic control platform， and a garbage collection net; it realizes rotating paddle back， reducing drag meanwhile automatically collecting floating garbage after image processing; the multi-port suction pipe increases the displacement while adsorbing objects. It also has the functions of the Internet of Things and the controllable multi-terminal communication. The garbage collection boat solves the problems of poor safety and poor efficiency of manual garbage collection on the surface of small and medium-sized rivers， lakes and other environments.

Key Words： River course; Solid suspended refuse; Refuse collection boat; Automation; Automatic collection

1 ?河道污染現(xiàn)狀分析

水是生命之源，河流是地球生態(tài)的脈絡(luò)，隨著現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的高速發(fā)展，無論是國內(nèi)還是國外，生態(tài)環(huán)境與垃圾污染都是處在魚與熊掌難以兼得的尷尬位置，目前江河湖泊污染情況日益嚴(yán)重，目前最主要污染源還是以固體垃圾為主，固體垃圾的水面漂浮不僅僅影響城市形象，還會影響水道植物光合作用，水體生物甚至?xí)怨腆w垃圾為食影響生物種群數(shù)目，垃圾沉底與不完全降解產(chǎn)生底泥污染等[2]，河流環(huán)境污染的現(xiàn)狀與危害實在令人痛心疾首。

而對于河流固體垃圾而言，其主要以水面懸浮形式存在，且以塑料懸浮垃圾為主。究其源頭，實則來源于生活垃圾，例如城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的河道，基本位于居民區(qū)附近，而一些生活在郊區(qū)的人喜歡把生活垃圾直接堆放在河堤上，一旦遇到下雨天氣，這些垃圾就會被沖到河流里，隨著河流處處漂泊，影響生態(tài)環(huán)境。長期以往，河道中的垃圾越來越多，影響惡劣。最明顯的例子是2009年9月10日，“斯克里普斯環(huán)境塑料積聚遠(yuǎn)征”在加利福尼亞州與夏威夷間海域之間發(fā)現(xiàn)了著名的“東太平洋垃圾島”，該島主要由生活垃圾構(gòu)成，其中80%主要來自陸地的廢棄塑料制品，重達(dá)350萬噸[1]。

2 ?目前河道固體漂浮垃圾的解決方案及創(chuàng)新改進(jìn)提出

目前大部分的城市解決河道固體懸浮垃圾的方法主要為人工打撈，一般以長桿撈網(wǎng)、長柄垃圾鉗等簡單收集工具為主，效率低下，且不時河道周邊淤泥縱深，灌叢交錯，垃圾收集過程如履薄冰，危險度較高且難以收集，不僅人工維護(hù)成本較高，而且效率確實低下。

雖然現(xiàn)階段國內(nèi)外對于河道垃圾污染已經(jīng)出現(xiàn)了部分機(jī)械化垃圾收集作業(yè)設(shè)備，但基本體型龐大，適用水域條件有所限制，不太適用于中小型城市河道與湖泊，但售價及維護(hù)成本高昂，故清理工作難以長期持續(xù)有效進(jìn)行。

針對以上問題，本文設(shè)計提出一種改進(jìn)垃圾船船體——新型自動化垃圾垃圾船，會極大地提高中小型水面流域的水面固體垃圾打撈收集的工作效率，節(jié)約人工維護(hù)成本，進(jìn)而更好地解決了水體固體垃圾污染給我們環(huán)境與生活帶來的困擾與問題。

3 ?船體方案設(shè)計與工作原理

本實驗項目根據(jù)將要實現(xiàn)新型水面垃圾船的功能，包含攝像識別模塊與檢測模塊等眾多子模塊。首先通過攝像頭采集水面信息后把畫面通過WIFI發(fā)送到電腦，通過算法進(jìn)行特征提取后與圖庫中圖片對比判斷其是否是垃圾;然后通過超聲波所測距離，比較拍攝圖片中的物體移動速度與水流速度從而判斷其是否為漂流物體。若兩者均滿足要求，電腦判定為垃圾，通過WIFI發(fā)送收集指令與STM32主控芯片，首先輸出兩路PWM（pulse width modulation）方波并依據(jù)差速控制原理控制兩個主電機(jī)運作，使垃圾船移動到垃圾附近;然后再輸出兩路PWM控制負(fù)責(zé)兩個收集船槳的副電機(jī)，使船槳運作聚攏近點垃圾;最后通過將塑料瓶等垃圾聚攏于雙體船船體的中間所成水道位置，此時吸水口產(chǎn)生的吸力會將塑料瓶送入垃圾收集船的中間水道后進(jìn)入收集箱。在垃圾船運行期間，檢測模塊將間歇性檢測船體所在區(qū)域的相關(guān)信息，這些信息包括是否降雨、電量剩余值、水質(zhì)的pH值、水體流速、水體渾濁度、水體溫度與空氣PM2.5值，主控芯片定時通過WIFI發(fā)送與電腦并及時更新顯示在屏幕上。

4 ?船體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動化垃圾收集船采用雙體船結(jié)構(gòu)，通過船槳回漿以及吸水口產(chǎn)生吸力同時船體運動收集水面固體懸浮垃圾。主要由雙體船船體（1），吸水口（2），垃圾回收網(wǎng)（3），噴水口（4），推進(jìn)器（5），紗網(wǎng)船槳（6），回漿齒輪箱（7），電控平臺（8）組成。結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。船體由雙體船結(jié)構(gòu)組成左右結(jié)構(gòu)對稱，船體的中前部位凹槽內(nèi)設(shè)有回漿齒輪箱;船體內(nèi)側(cè)面上設(shè)有吸水口，能夠為船體補(bǔ)充動能的同時，對垃圾產(chǎn)生吸力;船體的左右兩船體部分通過連接橋連接;船體的尾端底部安裝有推進(jìn)器;船體的末端安裝有垃圾回收網(wǎng);船體最上端的電控平臺會工作時會搭設(shè)攝像識別模塊，部分傳感器和電控以及通信模塊。

5 ?船體主要硬件模塊設(shè)計

5.1 主控模塊

本實驗項目選取STM32F103ZET6作為主控制的芯片。STM32F103ZET6芯片擁有144個引腳，其中包含112個的I/O口，擁有512K的FLASH、64K的SRAM、32位高性能ARM Cortex-M3處理器。而且該芯片定時器多達(dá)11個，通信接口多達(dá)13個。這些配置目前已達(dá)到本次設(shè)計的要求。

5.2 攝像識別模塊

圖像數(shù)據(jù)來自于PTC01系列攝像頭，是一款紅外照射且能自動變焦的工業(yè)級相機(jī)。該攝像頭在圖像尺寸設(shè)置為640×480時， 其圖像數(shù)據(jù)為25 KB左右， 圖像數(shù)據(jù)完整地保留在攝像頭數(shù)據(jù)緩存器里。通過WIFI無線圖像傳輸模塊發(fā)送于電腦端后可以一次完整地讀取整幅圖像數(shù)據(jù)。

5.3 檢測模塊

依據(jù)設(shè)計要求并綜合個方面要素，本檢測模塊包括懸浮顆粒污水渾濁度水質(zhì)檢測、水體溫度、光照強(qiáng)度、pH值檢測傳感器、粉塵PM2.5顆粒物檢測、電池電量監(jiān)測和雨滴感應(yīng)監(jiān)測等模塊。這些模塊檢測到的信息會定時發(fā)送給電腦端，基于動態(tài)掃描法完成實時顯示的功能。在此期間，慣性測量單元IMU也能夠感知船體在水中的姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器?？刂破鞲鶕?jù)指令以及MPU6050檢測的數(shù)據(jù)通過算法運算后，根據(jù)船體在水體中的狀態(tài)從而調(diào)整相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成自我調(diào)整[4]，進(jìn)而控制船體穩(wěn)定[3]。

6 ?軟件分析及設(shè)計

軟件控制是整個船體實現(xiàn)高度自動化的核心，為實現(xiàn)各種功能做好相應(yīng)準(zhǔn)備。而本設(shè)計系統(tǒng)軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)， 由主程序、電機(jī)驅(qū)動子程序、中斷子程序、顯示子程序、調(diào)速子程序和接收指令子程序等構(gòu)成。主控制板上電后首先實現(xiàn)各個模塊初始化，然后實現(xiàn)對傳感器的信號采集與相關(guān)電機(jī)的控制。

7 ?結(jié)語

我們團(tuán)隊主要針對河道垃圾污染嚴(yán)重且小型流域基本不具備垃圾收集船運行條件這一些現(xiàn)象，并從已知資料了解到現(xiàn)有的垃圾收集船幾乎沒有實現(xiàn)高度自動化，故根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)研發(fā)出新型的垃圾回收船。并運用了三維軟件Pro/Engineer將此船體模型制作出來，運用了模擬試驗方法確定其可行性后將其打印出來。經(jīng)過不斷測試后發(fā)現(xiàn)測試的數(shù)據(jù)令人十分滿意，一定程度上提高了收集效率，對我國水體固體污染凈化有十分顯著的效果。我們特別希望越來越多的人了解這個船體，越來越多的人去保護(hù)我們的環(huán)境，讓垃圾船永無用武之地！

參考資料

[1] 孝文探訪太平洋巨型塑料垃圾漩渦[OL].人民網(wǎng)，2009.

[2] 于玉彬，黃勇.城市河流黑臭原因及機(jī)理的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科技，2010，23（2）：111-114.

[3] 陳新泉.四旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].南昌航空大學(xué)，2014.

[4] 李臣龍，強(qiáng)俊.基于STM32和MPU6050姿態(tài)解算的研究與實現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2017，35（2）：295-298，316.