水面垃圾智能收集裝置的實現

北京聯合大學 馬 慶 程 光 段效賢 李國弼 王思婷 李玥佳 郭煥萍

目前，隨著科技的不斷進步，高科技產品逐漸出現在人們的生活中，這也極大地減少了人力和物力。而對于我們生活中常見的垃圾處理問題也成為了一大熱點問題。近年來，我國各地都出臺了相關政策進行垃圾分類處理。對于垃圾處理問題，我們只是解決了垃圾的再利用。但是這也避免不了一些人依舊亂丟垃圾。對于地面垃圾，我們可以借助環衛工人來進行收集；對于水面垃圾，打撈和收集的工作對于人們來說存在一定的困難。為解決這一困難，人們也發明了一系列水面垃圾收集裝置。但是，針對目前已有的垃圾收集裝置需要人員的駕駛來進行收集，并沒有完全的應用現如今所擁有的技術。因此，我們小組進行討論，認為現如今的水面垃圾處理和收集裝置可以借鑒掃地機器人的相關功能和無人駕駛汽車的自我分析功能實現水面垃圾處理裝置的相關功能，使得現如今的水面垃圾處理裝置成為一個具備自我收集、遠程控制、自我記錄數據功能的智能的收集裝置。

1 水面垃圾智能收集裝置的制作

1.1 設計、整理垃圾收集裝置的零部件

在水面垃圾智能收集裝置整體方面，為了減少水面的阻力，采用船體外觀，既能實現裝置的快速運行，也體現出了船體的美觀。而在實際操作中，我們按照一定的比例進行了迷你版的船身基本結構，方便其在生活中的實踐，檢驗其外觀是否能減少阻力，快速運行；在水面垃圾智能收集裝置的智能化識別方面，我們利用了掃地機器人智能識別的原理，通過超聲破測距傳感器，偵測前方所存在的障礙物，如堤壩等，會自行改變方向，從堤壩邊沿開始走矩形路線，有規劃地收集水面垃圾。除此之外，我們也借助掃地機器人的真空吸附作用，將垃圾吸附在水面垃圾智能收集裝置的垃圾袋里。在水面垃圾智能收集裝置的遠程控制方面，我們采用了關于網絡方面的知識點，在設備中加入WiFi模塊，將WiFi模塊與中國移動OneNET平臺進行聯系，操作人員可以在中國移動OneNET平臺進行基礎的設置，如設置前進左右按鈕，使得人們可以在手機平臺上即可對水面垃圾智能收集裝置進行控制。這樣也方便在設備工作時，我們可以隨時控制它的軌跡。除此之外，借助這一平臺，我們也可以進行工作狀態時數據記錄的功能。它將工作狀態以及垃圾收集量等數據通過WiFi模塊傳至操作人員的手機客戶端或者PC端，實時地了解工作狀態。通過這個功能，我們便可以進行水面污染程度的估量，讓大家可以更直觀地認識到水面的污染程度，提高人們的環保意識。也可以讓我們了解到設備運行狀態，及時地去調整設備運行狀態。在水面垃圾智能收集裝置工作時，為保證它在正常的軌跡運行，我們也采用了GPS定位系統，在實際操作中，我們通過研究現有的材料，進行一定的規劃，將超聲波傳感器等裝置安裝在迷你版的裝置上，讓其有更大的空間去收集垃圾。

1.2 制作船體部分

因為需要去創作基本的水面垃圾處理裝置，所以我們應用了熱熔膠槍和防水的材料進行基本的組裝，制造出水面垃圾收集裝置的基本外觀。

1.3 安裝主控板和其他部分

水面垃圾智能收集裝置由于借助了自動控制原理，我們需要在其主控板上載入想要實現的程序。因為主控板具有控制其他部分、使其運動、控制運動的直接作用。主控板上還具有控制板充電的充電接口、電源開關、連接電機、發送控制信號、控制伺服電機運動的電機接口、為控制板下載控制代碼、編寫程序的編程接口等。將這些相應的線連接起來后，將主控板與我們設計的船身連接在一起，做好必要的防水措施，這樣才能保證水面垃圾收集裝置的正常運行。

2 水面垃圾智能收集裝置的初始調試

將智能垃圾收集裝置安裝電機進行拆卸，釋放電機自由，讓電機找到初始姿態所在的位置；確認開關關閉，將水面垃圾智能收集裝置的電池安裝至其主控板的電池接口中；打開開關，電機將自行運轉，此時在不關閉開關的情況下，重新組裝所設計的垃圾智能收集裝置的內部構造。安裝完畢后，將其放在水盆里進行測試。

3 水面垃圾智能收集裝置的原理

3.1 裝置行徑的工作原理

水面垃圾智能收集裝置的行徑工作原理主要利用了步進電機帶動螺旋槳來實現，同時螺旋槳上裝有的防水電機可以控制槳的方向，實現其轉向功能。

3.2 裝置清潔的工作原理

清潔模塊中，采取分離式垃圾處理技術。引入抽水機建立低壓環境，一方面，較大的吸力使得較大的水面垃圾進入垃圾收集盒中，盒中又另加濾水器和抽水泵，將多余的水排出收集盒，使垃圾與水分離；另一方面，使用抽水機和高分子濾網的組合，增強單位面積的吸附能力，可以對付較小的顆粒狀垃圾，使得垃圾吸附在濾網層中完成清掃。一輪清潔完成，需要更換濾網和清理收集盒，以保證清潔質量。抽水機外殼采用防水材料而制，保證時刻處于正常工作狀態。

3.3 水面清潔規劃功能工作原理

清潔規劃算法主要是對感知系統收到的障礙信息進行判斷和處理，系統采用混合路徑規劃算法。液晶屏幕顯示傳感器感知系統傳輸數據，方便調試。優先執行中斷觸發算法，左邊外部中斷被觸發則執行右轉路徑；當右邊的中斷被觸發時執行左轉。若存在大面積的障礙物便開始執行單元域分割算法，清潔裝置依據“弓”字形路徑進行清潔；若檢測不到相應尺寸大小的障礙物，便執行隨機覆蓋算法，依據三角形軌跡進行清潔。對于小尺寸障礙物，采用循障礙物邊界進行清潔，降低單位面積內的功耗問題，讓裝置清潔更智能。

3.4 智能避障功能工作原理

水面垃圾智能收集裝置在避障時首先需要對障礙物進行準確的探測，然后將探測到的距離信號傳送入控制器，控制器再啟動控制策略根據采集到的距離信號進行計算得出控制量，最后主控器再根據控制量對船體所裝電機進行控制，使得螺旋槳的朝向得到改變，從而實現對障礙物的回避。而偵測系統主要有紅外線傳感和超聲波仿生技術，所以也就有兩種避障方式——紅外避障和超聲波避障。

（1）紅外避障：LED發射紅外光，由障礙物反射到接收器。通過計算接收到光強度的大小，從而判斷障礙物的距離，從而進行避障。但紅外避障對使用環境有相當高的要求，當遇上淺色或是深色的物體它無法反射回來，會造成碰撞。

（2）超聲波避障：避障裝置采用超聲測距回聲探測法，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射信號的同時計數器開始計時，超聲波傳播在空氣介質中，途中碰到障礙物的阻擋就反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立刻停止計時。由于超聲波也是聲波，若介質溫度變化不大，認為速度在傳播過程中是基本不變的。當速度確定后，只要測得往返時間，即可求得距離。當測得的距離小于某一設定值時，系統便會控制步進電機實現躲避障礙物的功能。

3.5 遠程控制工作原理

水面垃圾智能收集裝置在工作時，雖然可進行自我的收集，但是考慮到環境的復雜多變，裝置需要人來控制、主導。為了減少人力與物力，我們將進行遠程的控制設備，于是我們便利用了計算機網絡相關知識。在這次所設計的系統中，我們通過加入WiFi模塊，將其與中國移動OneNET平臺進行連接，通過設備來進行遠程的控制。而在中國移動OneNET平臺需要設計出想要實現的功能與界面，通過與設備的聯系，實現相關功能。本次我們所設計實現的功能有控制方向與數據統計。

（1）控制方向：首先我們需要在STM32芯片上燒寫程序以實現我們想要實現的功能，如使得船體前行等。通過程序去控制電機的運轉，從而帶動船體的運轉。而WiFi模塊與STM32相連，當我們在平臺設計好相關的功能模塊與參數后，用戶通過手機客戶端進行一些列的操作，把其傳輸至WiFi模塊后，便可以控制水面垃圾智能收集裝置的方向。

（2）數據統計：數據統計的原理同控制方向的原理相似，主要借助WiFi模塊進行數據的傳輸，當設備在運行時，會產生一系列的數據，而數據直接通過WiFi模塊傳至操作者的手機客戶端或者電腦平臺，形成直觀的數據曲線圖，供操作者進行一些數據分析。

4 項目問題與發展前景

完成本項目——水面垃圾智能收集裝置的同時，我們也發現了一些問題：水面垃圾收集裝置在收集垃圾的時候，它會將水面上所有的東西都進行收集，如水面上的海洋生物等。這樣也會造成一些不必要的損失；其次，在收集滿垃圾后，船體由于重力增加，速度極大地減慢，降低了工作效率；最后，在智能垃圾收集裝置工作時，如果突然沒電，會自動停留在水面上，這樣需要我們人去將其運回。綜上這些問題，我們也想到了一些方法：為改變由于重力導致的速度變慢，我們可以讓它一碰到堤壩，就將收集的垃圾自動倒置在岸邊；為改變突然沒電停滯在水面上，我們可以讓其在檢測到自己電量不足時，及時返回到岸邊。但是以我小組現在的能力來看，這些問題我們目前還未解決，這也是需要我們不斷努力學習的。在課余的時間里，我們會繼續探究其所存在的問題，并盡力去解決，使得這個收集裝置變得盡可能的完美。

通過這次水面垃圾智能收集裝置的研究，我們也發現了現在的技術已經可以讓一些機器包括我們所研究的垃圾智能收集裝置實現自動化識別的技術，但是科技的不斷進步會有不斷的新技術產生，現如今，雖然其極大地減少了人力物力，但它也存在著一些問題，包括我們上面所提到的如何解決它將海洋生物與垃圾一起收集的問題。這也需要我們不斷地研究與探索。在探究新技術的同時，我們要始終保持一個原則：維護生態平衡，保護自然環境。科技固然可以造福人類，但也不能讓其破壞我們的生存環境。科技的不斷進步促使人類不斷地進步，我們相信這一系列問題會在不久的將來逐步解決，智能垃圾收集裝置，將更加輝煌！