一種基于循環梯級的海洋垃圾處理裝置

張志高，吳麗曉，崔志遠，徐子宇，王禮杰

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

工業發展使得地球海洋環境日趨惡化，塑料垃圾、工業廢棄物和生產污水隨著河流沖入海水之中，對海洋的環境造成了破壞，大規模污染導致海洋生物因缺氧而死亡，降低海洋生產能力。其中，塑料垃圾數量最大，占海洋垃圾總數的85%，包括塑料瓶、塑料袋和漁網，它們難以自然分解，長期漂浮在海水中。如果不采取相應措施，人類社會也將受其影響。目前，國內海洋垃圾處理方式主要包括人工和機械兩種。一種是通過傳統人工打撈清理垃圾，這種方式具有范圍小、耗時長、難度大的特點，難以徹底清除海洋垃圾；另一種則是通過人工駕駛機械裝置進行清理，勞動強度低，打撈速度快，但采用燃油驅動會對空氣造成污染，且普及度不高。因此，設計一款簡單、高效的海洋垃圾處理裝置是必要的[1]。

針對這些問題和現狀，從海洋垃圾的處理裝置的要求出發，依據自動扶梯式的原理結構，設計一款能夠實現對海洋漂浮垃圾的處理裝置。

1 系統總體設計

本系統主要由垃圾采集裝置、垃圾儲存裝置、車身主體、控制系統、驅動系統、定位系統、動力系統組成，整個裝置是基于STM32 單片機的控制系統進行控制，以控制系統為中心，通過驅動單元為裝置提供動力，車身基本框架底部采用密封設置，為整個裝置穩定漂浮在水面提供了有利的條件，垃圾采集裝置參照自動扶梯原理，通過改良和升級原有的結構，最終借鑒采用循環梯級運動的原理，裝置各個系統相互配合實現水面垃圾的采集、傳送、儲存，從而完成水面垃圾的清理工作[2]。

1.1 循環梯級結構設計

循環梯級的結構參考了自動扶梯原有的結構，并且在原有的結構的基礎上進行升級和改進，將原有的臺階更換為V 截面的垃圾收集單元，下端刪除原有結構的水平移動端，更容易實現垃圾從水中分離，上端保留水平移動端，從而可以增加儲存結構體積，也更容易實現垃圾與收集單元的分離，使其更加適應水面垃圾采集工作。此結構在驅動電機的轉動下，實現整個結構的循環轉動，每個采集單元上方兩個輪子相連組成閉環由電機經過減速后直接驅動，下側輪子在軌道中不同的位置可以更改每個采集單元不同的角度，采集單元從在水下繞圓周旋轉150°，在旋轉過程中將垃圾從水面進行采集，采集后沿著軌道進行運行，直到運行至儲存結構上方，采集單元繞圓周運動旋轉，由于重力作用，每個采集單元垃圾脫落，完成一次的垃圾清理工作。在驅動裝置提供動力下，循環往復在規劃的既定路線下完成指定區域的垃圾清理工作，見圖1。

圖1 循環梯級結構示意簡圖（不含驅動裝置）

1.2 垃圾儲存結構設計

垃圾儲存結構使用鋁型材搭建，為了方便垃圾的清理工作，將垃圾儲存結構通過快拆裝置安裝在裝置框架上，從而提升垃圾清理的效率。

1.3 裝置基本框架的設計

框架采用鋁型材進行搭建，鋁型材通過角碼可以快速連接，同時能夠降低總體成本，減少制造、加工、組裝時間，還可以使各種裝置在框架上安裝簡單，通過T 型螺母緊固，方便拆裝。考慮在陸地上移動方便，框架安裝四個萬向輪方便移動。在框架底部四軸固定氣包，為裝置在水中工作提供浮力，為穩定工作提供保障[3]。

1.4 控制系統設計

1.4.1 主控芯片選擇

主控芯片采用STM32F103RCT6 為Cortex-M3 內核，MCU 運行頻率最高達72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM 容量為48 K、多種外設、USB 接口和CAN。此系統中，主控芯片主要任務為讀取姿態傳感器IMU 數據、GPS 數據、遙控器信號、為驅動裝置提供驅動信號，因此此款芯片性能可以滿足使用要求。

1.4.2 動力驅動系統選擇

考慮到工作環境的復雜性，本次動力元件全部使用步進電機提供動力，步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。根據裝置大小以及實際運行功率需求，最終選擇雷塞86CM85D 開環步進電機，此電機最大輸出扭矩8.5 Nm，額定工作電流為6 A，步進電機驅動器最終選擇M860D 開環步進驅動器，內置平滑濾波功能電流峰值最高可達7.2 A，同時具有參數自動整定功能，精密電流控制減少電機發熱，并且具有過流過壓保護功能。

1.4.3 GPS 模塊以及姿態傳感器IMU 選擇

GPS 模塊選擇為AT6558R 定位模組BD-280ZR，模組水平定位精度2 m，通過TTL 電平，使用NMEA-0183 協議進行數據傳輸，最高可支持波特率921 600 bps, 數據更新頻率1 Hz～10 Hz，滿足使用需求。MPU9250 內部集成有3 軸陀螺儀、3 軸加速度計和3軸磁力計，輸出都是16 位的數字量;可以通過集成電路總線(IIC)接口和單片機進行數據交互，傳輸速率可達400 kHz/s。陀螺儀的角速度測量范圍最高達±2000（/s），具有良好的動態響應特性。加速度計的測量范圍最大為±16 g(g 為重力加速度)，靜態測量精度高。磁力計采用高靈度霍爾型傳感器進行數據采集，磁感應強度測量范圍為±4800 μT，可用于對偏航角的輔助測量。

MPU9250 自帶的數字運動處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，可以整合九軸傳感器數據，向應用端輸出完整的9 軸融合演算數據。

有了DMP，我們可以使用InvenSense 公司提供的運動處理庫（MPL：Motion Process Library），非常方便的實現姿態解算。

1.4.4 無線通訊模塊選擇

無線通訊模塊選擇為HC-05 藍牙模塊，藍牙HC05 是主從一體的藍牙串口模塊，簡單的說，當建立連接，兩設備共同使用一通道也就是同一個串口，一個設備發送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。藍牙通訊方便快捷，可以通過手機等便攜設備進行通訊。

1.4.5 程序設計

裝置啟動后，初始化并檢查各個傳感器狀態，初始化完成后等待任務下發，通訊裝置接收到任務后，通過讀取姿態傳感器IMU 和GPS 模塊數據得到當前所處位置和姿態信息，讀取當前任務，從而實現路徑規劃，最終實現水面垃圾清理工作，完成最終工作后，并自動回到原點。

2 工作原理

見圖2。

圖2 工作原理圖

裝置啟動后，接收到工作任務后，默認打開梯級循環機構驅動電機，每一個采集單元從水面采集垃圾（見圖3），每個垃圾采集單元配備三個輪子，上測輪子沿著固定軌道完成整個裝置的旋轉往復運動，下測輪子隨著軌道的變化，繼而繼而可以改變每個垃圾采集單元的旋轉角度（見圖4），完成垃圾的自動卸載至儲存箱。通過循環往復自動實現垃圾收集、存儲和再收集。主控系統通過讀取當前任務路線，讀取姿態傳感器IMU 和GPS 模塊數據，獲得當前運行狀態和運行方向，通過不斷修正位置從而完成路徑規劃，實現指定水域的垃圾清理與儲存任務，當任務完成或垃圾儲存裝置裝滿之后自動回到原點，完成任務或清理儲存垃圾后繼續執行任務從而直到最終任務完成[4]。

圖3 采集單元轉運狀態

圖4 采集單元卸載狀態

3 系統優化

3.1 硬件優化

實際運行過程中，發現垃圾收集單元從水中采集時垃圾容易脫落，導致每個采集單元實際垃圾采集量偏少，其次在運送過程中垃圾也容易脫落。為此，我們改良每個垃圾采集單元，更改其采集單元外觀，將底部角度變小，由于重力作用，防止垃圾在傳送中脫落其次，也更容易從水中采集出垃圾，見圖5。

圖5 優化后的采集單元

3.2 程序優化

由于GPS 定位精度誤差在2 m 以內以及磁力計陀螺儀存在噪聲誤差，單純依靠GPS 工作或者磁力計陀螺儀勢必會帶來較大誤差，因此我們通過結合陀螺儀數據進行路徑規劃與單獨使用單一數據進行對比，首先我們將裝置在道路上進行實地測試，通過對比實際運行軌跡與設定軌跡（直線），進行三次對照組測試實驗分別單獨使用GPS、磁力計陀螺儀和將GPS 與磁力計陀螺儀數據融合得出了下面三組實驗數據。此次實驗選定9 m 直線，每運行1 m 數據采集一次，共采集9 次。采集數據見表1，通過對比可以明顯得出融合數據在一定程度下可以減小偏差。

表1 不同數據下與設定直線的偏差（cm）

4 結論

通過裝置機械結構、控制系統的設計并結合實際制作過程中所遇見的問題，我們改良了以下幾個方面，首先，由于工作環境在水面上，必須優化控制系統，做好防水工作，防止控制系統由于水引起的短路和其他不穩定情況的產生。其次，優化傳動機構，將鏈傳動更換為帶傳動，從而防止由于水面工作導致鏈條生銹造成傳動系統不穩定。最后，增加控制系統的抗干擾性和穩定性，通過讀取各個傳感器數據對裝置工作狀態進行預估，從而保護好裝置，以免由于硬件問題裝置繼續工作從而造成更大的損失[5]。

本研究主要介紹了一種適用于海洋垃圾采集、存儲為一體的海洋垃圾清理裝置。提出了一種基于循環梯級的新型機構，在原有自動扶梯結構基礎上進行優良改進，更加適應垃圾清理工作。通過機械結構與優良控制系統的緊密結合，從而達到更好的清理效果。