面向個性化定制的水面垃圾清理船*

李東旭

赤峰工業職業技術學院 內蒙古赤峰 024000

1 設計背景

天然湖泊、水庫、景區公園的人工湖,會積存垃圾,主要包括塑料袋、礦泉水瓶、枯葉等雜物。隨著人們對生活環境要求越來越高,加之政府對水面環境監管力度越來越嚴,亟需研發一款智能化的水面垃圾清理船。現有的水面垃圾清理船主要為大型機械裝置,大型清理船不適用于清理小型水面垃圾;而且現有清理船主要采用發動機驅動,消耗燃油,勢必浪費能源,產生二次污染。綜合分析,針對不同水面環境、不同垃圾類型,所需垃圾清理船的總體尺寸、功率大小、打撈結構各不相同。因此,亟待設計一種可根據水面垃圾清理需求,能實現個性化定制的水面垃圾清理船。

2 設計方案

2.1 整體結構設計

為了降低水流阻力,船體造型應用仿生學原理,采用泥塑方法設計船體外形,應用三維打印技術制造。該方法可縮短船體外形設計周期,提高研發效率,采用流線型能降低船體在水面運行的阻力,提高運行速度。掃描后的數據通過軟件處理,可根據需要進行尺寸調整。由于水面環境差異較大,垃圾類別多種多樣,為了實現節能環保,避免船體較大造成能源的不必要浪費,框架總體尺寸可以跟隨需求設計,方便實現個性化定制。船體制作通過三維打印技術實現,選用生物可降解環保材料,主體質量輕、密封性好,可以實現個性化定制。

2.2 打撈收集結構設計

垃圾清理船的主要功能是對水面垃圾進行打撈收集處理,常見的水面垃圾主要包括浮萍、枯枝落葉、礦泉水瓶、塑料制品等垃圾。不同垃圾所用的打撈裝置結構、尺寸、強度各有差異,垃圾質量、體積決定打撈裝置結構的尺寸。根據調研,校園和小區人工湖水面垃圾以礦泉水瓶、塑料袋為主,材質輕,不需要剪切裝置結構。針對河道、天然湖水面的水生植物垃圾,需要加裝剪切裝置。面向人工湖不考慮水底垃圾清理,如果對水底的垃圾有清理要求,可以加設垂釣打撈裝置結構。垃圾打撈裝置的結構采用Unigraphics三維造型軟件進行設計,打撈裝置結構強度高、收集垃圾容積大,采用網狀結構可減小阻力。打撈收集裝置結構基于模塊化設計理念,可根據不同類型垃圾選擇制作組裝,實現個性化定制。

2.3 動力裝置設計

水面垃圾清理船在行駛的過程中會受到阻力,因此動力裝置的最大推力要滿足船體行進要求。為了節能環保,該垃圾清理船采用鋰離子電池作為電源,采用電機驅動。鋰離子電池具有容量大、循環壽命長等優點,充電時間能夠滿足使用要求。直流電機使用方便、便于進行控制,因此采用這種動力設計方案。考慮到氣動需要加裝氣泵等裝置,為了簡化船體結構、節省空間,同時提高控制精確性,該船體采用雙螺旋槳推進系統。該結構控制靈活、制作簡單,廣泛應用于船體推進結構之中。實現轉向功能前提下,綜合降低成本、控制可靠等因素,可以選擇性加裝舵機實現轉向功能。不采用舵機系統,螺旋槳分別安裝在主體結構后部底端左右兩側,可以調節船體行進速度,通過控制左右電機轉速,可以實現船體轉向。

2.4 控制系統設計

為實現遠程無線控制,自主設計制作控制系統。主要包括電源模塊、無線通信模塊、視頻采集處理模塊等。傳統打撈船依靠人工識別垃圾,容易造成垃圾遺漏。為了實現打撈精準性,通過加裝超聲傳感器來探測水面障礙物,判別垃圾是否清理干凈。為了減輕工人勞動強度,提高作業安全性,實現智能化打撈,應用圖像識別技術,通過加裝攝像頭進而精確清理水面垃圾。應用無線通信技術,加裝移動供應商提供的手機通信卡和全球定位系統模塊,實現船體控制系統與遠程控制中心的通信。同時,為了使用方便,基于人工智能技術設計手機應用程序,實現垃圾清理智能化。主板采用Cortex-M3 處理器,使用C語言編程,控制系統自主設計、制作完成,節約成本,控制可靠。控制系統如圖1所示。

圖1 控制系統

3 垃圾清理船制作

3.1 參數計算

面向校園人工湖進行設計船體,湖面面積10 500 m2。垃圾主要為枯枝落葉、礦泉水瓶、塑料袋,垃圾質量輕、體積小,針對此環境設計對應船體參數。船體總體尺寸根據垃圾總體分布情況,合理規劃打撈次數,根據單次清理垃圾質量、體積設計船體總體尺寸與收集結構尺寸,計算設定船體總體尺寸為長0.6 m、寬0.4 m、高0.3 m。抽樣測量垃圾質量,結合船體凈重,設定船體排水量為5 kg,最大吃水深度符合要求。

3.2 三維造型

根據參數,應用三維繪圖軟件設計船體總體結構和打撈裝置,打撈裝置結構造型如圖2所示。

圖2 打撈裝置結構造型

根據單次打撈垃圾的質量、體積設計打撈裝置結構尺寸,校核強度,并優化改進。通過造型軟件設計打撈收集裝置結構和其它結構,包括電控板固定結構、鋰離子電池倉、螺旋槳固定結構及電機固定結構等。考慮船體在水面運行受到水面雜物沖擊,船體結構要滿足強度要求,同時連接處要設定圓角,避免應力集中引起開裂。船體采用系列化設計,可以縮短設計周期。

船體外形部分通過泥塑、掃描、數據處理的流程進行設計。

(1) 泥塑。為了降低阻力,利用泥塑進行外形設計,相比采用軟件設計,該方法能更好設計復雜的船體仿生學造型,縮短設計周期。雕塑好模型后,放置陰涼干燥處晾干。

(2) 掃描。晾干后的模型噴涂顯影劑,針對復雜無明顯特征體的船頭曲面,應適當選取標記點位置,貼好標記點后應用三維掃描儀進行掃描。

(3) 模型處理。通過杰魔軟件,對掃描好的船體模型進行數據處理、去噪,生成船體三維模型。

3.3 打印組裝

應用三維打印機打印船體部分。三維打印是中國智能制造2025要重點發展的技術項目,相比其它船體制造技術,三維打印技術不需要設計模具,打印成本低,非常適合個性化設計定制。三維打印技術現已能夠完成金屬零件的打印,制造的船體強度和性能足以滿足船體要求,可根據個性化需要選擇打印材料。船體打印完畢后,將船體的零件部分與電控部分進行組裝。

3.4 試驗

通過設計制作,經過實地測試,該水面垃圾清理船結構穩定、運行可靠,能夠實現遠程無線控制。通過傳感器、攝像頭,能夠遠程控制船體打撈湖心區域垃圾,實現清理自動化。使用鋰離子電池,節能環保,待機和工作時間長,滿足工作要求。綜上所述,垃圾清理船的制作流程如圖3所示。

圖3 垃圾清理船制作流程

4 創新意義

這一垃圾清理船能夠面向客戶實現個性化定制,克服現有清理船尺寸大、型號單一的缺點。這一垃圾清理船采用三維打印技術,選擇生物可降解材料打印制作,材料環保、結構穩定性高,船體強度高,使用壽命長。可以實現遠程無線控制,方便工人在岸邊或控制室進行作業,避免安全事故發生。通過傳感器可以精準探測清理垃圾,通過視覺識別功能實現遠程智能操作。采用蓄電池驅動,節能環保,工作時間長。外型簡潔美觀,有效減小船體在水面運行所受到的阻力,船體的材料成本和加工制作成本低廉。能針對特定垃圾選取打撈裝置結構模塊,收集垃圾快速高效。

5 應用前景

從市場來看,目前還沒有能實現個性化定制的類似垃圾清理船,該垃圾清理船的設計可面向客戶需求進行制作,可打撈大部分水面漂浮垃圾,遠程控制、打撈精準。

應用態勢分析法對這一垃圾清理船進行優勢、劣勢、機會、威脅分析,優勢為創新個性化定制模式,智能化遠程無線控制,彌補現有市場空白,劣勢為前期知名度不高,前期資金投入大,機會為新型產品迅速占領市場,需求擴大,快速擴張,威脅為新型設備層出不窮,物價上漲,成本提高。可見,這一垃圾清理船的市場前景十分廣闊。

6 結束語

筆者設計的水面垃圾清理船可以實現個性化設計制作,彌補了現在市場的空白,能實現垃圾清理遠程控制,實用性好、成本低、安全可靠,可廣泛應用于各種水面環境。水面越大,距離岸邊越遠,越不適合人工作業的水域,這一垃圾清理船的清理優勢越顯著,將有很大的發展潛力。