景觀水域智能清潔船設計

虎嘯鳴，姚 嘉，李 堅，蕭友康，陳云帆，許佳楷

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541000）

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高，城市化進程逐漸加快，各城市人工景觀水域與水生態修復建設工程不斷涌現。但是景觀水域由于各種原因往往會漂浮著一些水面垃圾，不僅造成視覺影響，還會引起水質惡化、水體異味等問題，違背了景觀水域設計的初衷[1]。

景觀水域需要的管理工作主要有漂浮的生活垃圾以及樹枝樹葉；由于水草的富營養化，水中還會有腐敗的水草植物；更有諸如水面船舶漏灑的浮油等嚴重影響水質并產生異味的液體垃圾；人員工作量大，且需要定時反復清理，工作內容多，而目前市場上的水面垃圾收集船大都是大型船舶機械，主要應用于大范圍大面積水域垃圾的收集，其結構復雜，體積龐大，價格昂貴，而且需要專業人士操作，無法匹配風景區等小型淺水水域的垃圾收集作業，人工方式回收一般為環衛工人手持網兜等工具直接把垃圾撈上來，然后，劃著船到達下一處繼續作業，勞動強度大，工作效率低，而且工人的安全得不到保證[2]。

1 整體設計方案

智能清潔船的主體尺寸為1 000 mm×600 mm×250mm，船體空載的重量約為3.7 kg，如圖1 所示。其主要部分包括船體，金屬輸送帶，收集裝置，垃圾打包裝置，垃圾儲存倉，動力裝置等。船體前部設計為前低后高，減輕重量方便放置金屬傳送鏈。船首有2 個高臺，加高金屬輸送帶的高度。船身偏置有1 個方型垃圾存儲倉，用于存儲收集到的垃圾。船尾有1 個平整的斜面和小平臺，用于安裝放置螺旋槳，尾部2 個螺旋槳對稱放置，通過立式軸承座加緊固定螺旋槳的套筒，從而固定住螺旋槳。直流電機因其較高的性價比和穩定性廣泛應用在各類型的機電系統中[3]，螺旋槳采用12 V755 有刷電機，轉速可達6 000 r/min，每個螺旋槳提供大約3 kg 的推動力。控制機構部分控制器主板采用Arduino 開發板。船體前部設計前置傳感器為SR04 超聲波測距模塊，紅外相位測距技術是對被測目標發射一個紅外信號，然后接受目標反射回來的光信號，通過間接測量光信號的往返經過的時間，計算出目標的距離[4]。每個前置傳感器前端安裝有紅外測距模塊，優選型號為GP2Y0A02YK0F，用于避開淤泥堆積，坡度變化較小的河床。前置傳感器的工作過程與現有技術中的超聲波測距模塊的工作過程相同。利用自動控制，實現清潔船在工作水域按規定路線巡游進行工作。

圖1 清潔船整體圖

2 機械結構實現方案

2.1 收集部分

小型水域清潔船的前部有金屬傳送帶，如圖2 所示，能夠將水面漂浮物傳送到收集倉，同時讓收集物的水分通過金屬傳送帶過濾進水里，只留下收集物。依靠帶傳動，穩定可靠。

圖2 金屬傳送帶

2.2 垃圾打包部分

當前，自動打包的垃圾桶大多采用的是熱塑封技術，配套使用的垃圾袋為塑料的，密不透風的。小型水域清潔船的工作的地點為水域，收集的漂浮物，經過金屬網鏈的瀝水，仍會攜帶少量水分，塑料袋顯然不適用于裝載水面漂浮物。針對上述問題，垃圾存儲倉內套著尼龍網袋，存儲倉內有通道，能夠使得積水流入水域，能夠有效濾除水分，只留下收集好的漂浮物。

垃圾打包部分主要有外殼、卡槽、塑料推桿、電動推桿和滑軌等，如圖3 所示。尼龍網帶套在存儲倉的外殼上，外殼內有電動推桿、塑料推桿等。當收集垃圾的工作完成，垃圾存儲倉上縱向放置的電動推桿先向前伸出，塑料推桿的一端與電動推桿連接，另一端與滑軌上的塑料滑塊連接，推動塑料條向前運動，而后橫向放置的電動推桿再向前運動，推動塑料條將尼龍網袋聚攏到U 型槽口處。縱向電動推桿的頭部有一鐵片，推桿向前伸出，將聚攏尼龍網袋的同時，推動小鐵片擠壓放置于卡槽內的鋁釘，鋁釘的另一側被擠壓進入方型槽，鋁釘受力變形，將鋁釘扣在尼龍網上，實現尼龍袋放封口，完成打包工作，如圖4 所示。

圖3 打包封口機構

圖4 鋁釘卡槽部分

2.3 水質檢測部分

景觀水域一般都有人工飼養的魚，水質的好壞關系到人工魚的存活率，實時檢測水質對于管理者是非常重要的。水面清潔船搭載現有的水質檢測裝置，與船體控制主板連接，隨時反饋水域環境的水質，方便管理水域。

2.4 控制部分

控制系統包括控制器主板、信號接受器及自動巡航控制器等元件。事先預設好小船的行進路線，在行駛的過程中調成船的航行方向[5]。船使用螺旋槳作為推進器，將左右螺旋槳對稱布置于2 個單體的尾側，在其2個單體內部安裝有2 個直流電機，可以實現船體的直行、轉彎、停止等系列操作[6]。利用2 個螺旋槳電機的不同轉速差，實現船體的轉向，如圖5 所示。

圖5 差速轉向流程圖

2.5 水草收集裝置

小型水域一般深度比較淺，適合水草生長，往往水草叢生。景觀水域也需要種植水草以維護生態平衡[7]，對于過長或者腐敗的水草，如不及時清理，會導致水體發黑發臭，影響水質。小型水域清潔船搭配使用一種旋轉水草收集裝置，進行水草清潔工作。主要針對的是金魚藻一類無根或者淺扎根的水草，利用其特性，用旋轉攪動的方式將其纏繞于收集器上，收集器回縮將水草與河床分離，使其漂浮于水面，清潔船再進行收集工作。

水草收集裝置主要包括：外殼、電機、絲桿、伸縮桿、刀片、纏繞爪、旋轉盤等，如圖6 所示。

圖6 旋轉水草收集裝置

當需要收集水草時，水草收集裝置對準需要清理的區域，內置電機帶動絲桿轉動，帶動伸縮桿（如圖7所示）升高。二級伸縮桿從三級伸縮桿的內部伸出，先達到最大伸縮位置，纏繞爪及爪盤從收納罩中伸出。絲桿繼續轉動，三級伸縮桿到達最大伸縮位置，三級伸縮桿伸出的過程中，將旋轉盤升起，旋轉盤通過3 根連桿與纏繞爪連接，連桿完全伸直達到最大伸直狀態，纏繞爪張開到最大。外部電機帶動水草收集裝置旋轉，將水草纏繞在收集裝置的纏繞爪上。

圖7 旋轉水草收集裝置桿組

旋轉攪動水草的收集工作完成，內置電機帶動絲桿反轉，三級伸縮桿先縮回，帶動連桿向下內縮，將纏繞爪變為收縮狀態。繼續轉動，二級伸縮桿回縮，纏繞爪收回收納罩。在纏繞爪收回收納罩的過程中，收納罩上方有3 片均布的刀片，能夠切割纏繞于爪子上的水草，使其落入水中。完成整個收集動作，被纏繞起來的水草將漂浮于水面上，小型水域清潔船的收集部分將其收入尼龍網袋內。

3 結束語

景觀水域智能清潔船適用于大多數人造景觀水域等小型水域，能夠實時檢測工作區域的水質，根據不同水域的大小，設置巡航路線，清潔船按照路線巡航，自動收集漂浮物。能夠減輕人工打撈水面漂浮物的壓力，安全可靠有效提高清潔效率。主控芯片的穩定信號傳輸控制各個部分結構，保證了各個機構的協調配合，使其共同完成一系列復雜的任務，實現預期功能。