智能水面垃圾清潔機器人

耿若楠 陳沛 李志文 程繼航 卞宇宸

隨著社會的快速發展，人們的生活質量不斷提高，制造的生活垃圾也越來越多。由于環保意識的缺乏，很多生活垃圾直接或者間接被棄入江、河、湖泊之中，致使江、河、湖泊的水面上經常漂浮大量生活垃圾，部分區域如航運河道、發電站前池水污染特別嚴重，這些垃圾如果不及時清理，將會影響航道運行、發電機組正常運轉。另一方面，由于生活污水和工業廢水大量排放，河水嚴重營養富集，導致水面出現了大量的浮游藻類，如不及時清理，將嚴重打破區域生態平衡。為了清理這些水面漂浮垃圾，環保部門每年都要投入大量的人力、財力和物力，定時進行人工打撈?，F有的人工打撈工具均為撈勺、撈網或簡單小型的打撈設備，致使人工打撈勞動強度大，工作效率低，缺乏靈活性，清理效果也不是很理想。例如在清理河、湖水面的草生植物或是清理較大體積的垃圾時，會采用機械清理的方式，但幾乎都是采用較大型機械，不僅浪費能源，而且還會產生二次污染，難以普及使用。水是生命不可或缺的自然資源，治理水污染勢在必行，因此設計一款清理人流較大的河流和湖上等一切有水域的地方的垃圾，實用性很強的水面垃圾清潔機器人是社會的需要。

（一）國、內外研究現狀和發展動態

目前，國內外對水面垃圾的清潔主要采用人工打撈和機械打撈兩種方式。人工打撈利用半艙式或甲板機動駁船，由環衛工人手持網兜站在甲板邊上直接把垃圾撈上來，這種作業方式勞動強度大、工作環境惡劣、人身安全沒有保障，不僅清理難度大、綜合成本高，而且無法治理在大雨臺風季節暴發的水葫蘆等海域污染。而機械打撈裝置具有間斷性、笨拙性、耗時性等明顯缺點，并且會造成嚴重污染，無法適應小型河流、湖泊等水面垃圾清理的需要。

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。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，而且智能化程度低，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。國外雖然在大規模清理垃圾，但只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，表明了水面垃圾清理方式的機械化智能化是符合人們需求并且可以大力研發的。

隨著水體污染嚴重以及水面漂浮物增加，我國根據近幾年水面垃圾的治理經驗，在各方面都進行了努力，因而水上垃圾清理機的設計工作有了可觀的發展。目前國內的還主要以不定期的手工打撈為主，機械打撈應用并不普遍。因此水面垃圾清潔機器要獲得廣泛的應用和全面取代手工打撈，必需自主創新，設計出符合我國國情的水上垃圾清理機器。

（二）研究內容

（1）本項目旨在設計一個在人流較大的河流上等一切有水域的地方自動搜尋垃圾并收集起來的清潔類機器人。分為人為操控模式和自主操作模式。①人為操控模式下：系統通過WiFi網絡技術，實現手機與單片機的信號互聯，通過手機APP發出指令，對系統進行遠程控制，完成水面垃圾的清理工作。②自主操作模式下：可根據紅外線探測發現垃圾的位置，自主前往垃圾附近進行垃圾拾取工作。此產品還可利用太陽能光伏發電技術提供電能，確保作業期間電能能夠得到保障。

（2）設計紅外感應裝置尋找阻礙物位置，根據接收到的垃圾的波長從而與機器人數據庫進行對比，如果符合數據庫中的條件便迅速移動到垃圾的位置，數據庫中的垃圾信息是由人工整理后儲存在機器人中的。然后在距離垃圾10厘米以內，自動觸發機械臂啟動開關，在20N的力的作用下抓取，若某些極特殊的垃圾經數次抓取依然失敗（在這里我們設置最大抓取次數為3次），即向控制端返回抓取信號，通過人工處理的方式來清理垃圾。

（3）開發手機APP，通過WIFI傳送信號對垃圾清理系統進行控制。該模塊可將船體的工作狀態和垃圾收集情況以報告形式發送給手機APP，實現實時監測和遠程控制。在這里手機相當于電腦PC端，指令的發送則是通過一個PHP網頁，這個網頁是在路由器上面的，也可以通過電腦以及路由器窗口創設一個網頁鏈接，也能夠從電腦上顯示出來。

（4）當箱內物品重量達到一定重量或者一定體積時返回指定點進行垃圾傾倒。進行垃圾傾倒的條件有兩個：1.達到一定重量即傾倒，在垃圾存儲箱內部設置有重量感應器，一旦達到所能承受的最大重量標準，便實施垃圾傾倒動作。2.達到一定體積便停止收集，在垃圾存儲設備中畫一條閾值線，從而能夠進行存儲體積與其對比。需要注意的是有時候重量沒有達標，但是體積已經不夠了，那么也需要傾倒，所以上述兩個條件之間的關系是相或的，只要滿足其中一個條件，機器人就返回進行垃圾處理。

（5）機器人具有定區域巡邏能力，對它進行的操作指令是在一定的區域內完成的，并且動力驅動系統能夠滿足其變速運動，在這里主要是能夠采取兩種速度：一是作業速度，即工作時速度，作業速度盡可能與垃圾密度相匹配。二是返回速度，這里主要用于垃圾達到閾值后去傾倒垃圾的速度，由于這時已經沒有作業，所以速度可以快一些，這樣可以提高作業效率。

（6）為了確保機器人能夠在作業區域平穩運行，或者在有風情況下作業，選擇的材料應該選取密度稍微大一點，同時機器人外觀設置為中空流線型，這樣子一部分風可以從中間通過，一部分被流線型設計所抵消，剩下的阻力在材料所能夠承受的范圍之內。需要注意的是機器應該滿足大多數情況下都能作業，所以設置標準也就是承受風力等級在4-5級。

該項目由大學生創新創業訓練計劃項目資金支持：項目編號：2019XB059