“去污態·共綠色”生態修復船的設計及開發

汪成樾，陳 艷，劉玥琦，朱安新，梁家豪，曾 勇

(湖北大學知行學院 機械與自動化學院，430011，湖北武漢)

湖泊水面常可見有害漂浮物、油污油膜、微型塑料等，這些生態污染現象造成大量生物死亡，使生物多樣性不斷降低，嚴重破壞生態平衡[1]，但多數水域生態污染現象并沒有得到很好的解決[2]。

鑒于目前水上生態修復清理設備的缺陷、不足及使用現狀不盡如人意，在進行廣泛實際調研和資料查閱后，擬設計一款多功能遙控式生態修復船，綜合利用機械、化學、人工輔助治理的辦法，實現半自動化控制[3]，進行有害水生植物收割、油污處理、漂浮物清理等多種生態環境治理，克服人工清理和現有機器的局限性，有效降低勞動成本。設計的生態修復船可應用于各種干渠、水渠、河流、湖泊、海洋等多種水域的常態化水面生態治理修復。

1 設計思路及技術路線

經過團隊成員反復調研，進行方案設計，擬定圖1所示的設計思路。生態修復船整體結構包括船體、剪切裝置、聚物裝置、輸送裝置、攪碎裝置、壓縮裝置、儲物裝置、噴灑裝置、油污處理模塊、太陽能自動追光系統及自控式夜間燈光控制系統等。

圖1 設計思路

船體選用“箱體型”，外壁與前端選擇設計成流線型，如圖2 所示，有利于減少水流的阻力；船體內側做成60°的V 型結構，便于匯流。船體總長2 875 mm，寬2 096 mm，中間輸送帶寬621 mm，船高1 460 mm，內含螺旋槳驅動機構。

圖2 船體結構

剪切裝置主要用于切斷水生有害植物的根部，由往復運動的割刀和固定不動的支承部分組成。聚物裝置借鑒水稻多齒撥禾收割機，將撥草輪安裝于輸送裝置的前端、剪切裝置的上方，由電機通過鏈傳動帶動撥草輪，將有害物撥入輸送帶，保障清理作業的正常進行。輸送裝置將有害物傳輸至攪碎裝置。根據船體雙體構造，將輸送裝置放在雙體結構中間以便進行傳輸，傳輸帶的角度取45°。為避免有害物在傳輸過程中倒退下滑，每隔一段距離增加一塊擋板，擋板高度建議取值范圍為40～45 mm。上述裝置的位置布置如圖3 所示。

圖3 剪切、聚物、輸送裝置結構簡圖

攪碎裝置通過電機-齒輪減速器，驅動兩個刀軸正反旋轉，利用兩刀軸上的相鄰刃口相互剪切、擠壓對水上有害物進行破碎。壓縮裝置采用直線推桿電機，實現破碎物在存儲裝置內的空間壓縮，盡可能提高存儲利用率。儲物裝置借鑒家用抽屜的原理，設計成可抽拉式儲存屜，將攪碎、壓縮后的有害物通過進料口集中儲存在儲存屜，屜承板設有多個小孔，下方隔板具有一定斜度，可將水排到下方瀝水池單獨排出。當存儲量達到一定程度時，由人遙控船回岸邊將有害物從屜中清理出去。上述裝置的位置布置示意圖如圖4 所示。

圖4 攪碎、壓縮、儲物、噴灑裝置結構簡圖

噴灑裝置（撒藥裝置）是利用物理或化學凈化原理對受到污染的水域進行凈化處理，操作人員將藥物倒入拌藥池內，通過水泵和噴灑器均勻噴灑在水面，結構如圖5所示。油污、微塑料的處理模塊可設計成可拆卸式油水分離器，方便整治水中油污及微塑料問題，如圖6 所示。

圖5 噴灑裝置

圖6 油污收集裝置

自控式夜間燈光裝置利用光敏電阻實現燈光的啟閉，夜間光線過暗，燈光開啟，白天燈光自動關閉，可滿足夜間作業及節能需求。考慮窄洞、隧道等特殊作業環境，增設攝像頭模塊，可通過手機查看復雜環境，并有效處理作業需求。如圖7 所示。

圖7 自控燈及攝像頭安裝位置圖

太陽能自動追光系統可以保證太陽能板自動跟蹤太陽，且始終使電池板以最佳角度面向陽光，提高對光能的利用率，并轉化為電能。通過接入充電控制模塊對蓄電池進行充電，當充到95%時，充電系統將會自動斷開以保護蓄電池[4]。自動追光系統機械結構如圖8 所示。

圖8 太陽能自動追光系統結構簡圖

本產品結構設計主要采用SolidWorks 模型搭建，為后續的運動仿真和ANSYS 有限元分析及結構優化做準備，以提高其合理性。最終整機結構示意圖如圖9 所示。

圖9 生態修復船整體結構圖

2 基于單片機的電路控制設計

STC89C52 單片機通過HC-06 藍牙模塊與Android 手機通信，控制驅動電機啟動或停止，實現遙控功能，相關原理圖如下頁圖10 所示。

圖10 藍牙遙控原理圖

2.1 轉向控制系統

轉向控制系統由單片機控制船體內部兩電機，通過改變輸入端的邏輯電平實現轉向。采用L298 N 專用驅動集成電路，輸出電流2 A，最高4 A，最高工作電壓50 V，與單片機直接相連，可實現電機正轉與反轉。

2.2 新能源充電系統

采用性能優異的鋰電池恒流/恒壓線性充電器TP4056 模塊進行充電。基于MOSFET 架構和特有的防倒充電路設計，TP4056 不需要單獨外接隔離二極管和檢測電阻。當外界周圍環境溫度很高或者在大功率應用情景下充電時，充電器TP4056 模塊內部熱反饋系統可以調整充電電流大小，用以降低芯片溫度。充電器TP4056 模塊充電電壓固定在4.2 V，充電電流大小通過外部電阻器進行調整。當電壓達到最終浮充電壓后電流下降至給定值的10%時，TP4056 終止充電循環。當輸入電壓斷開時，TP4056 進入睡眠狀態。

2.3 攪碎壓縮系統控制

單片機控制繼電器實現電動推桿的伸縮。通過繼電器四個I/O 輸出口實現狀態的改變（如圖11 所示）。每次只有繼電器的兩個輸出口為吸合狀態，才能實現電動推桿的某種功能。如果繼電器的四個口都沒有吸合，則電動推桿會自鎖；但是要避免出現四個輸出口都吸合的狀態。

圖11 壓縮裝置控制示意圖

2.4 太陽能自動追光系統

設計一種可自動追光電路系統，搭配自動追光系統結構，使太陽能板以最佳角度面向陽光，原理圖如圖12 所示。由四個光敏和固定電阻構成一個十字架。如果光照不同，UP、DW、LF、RT 的電壓會發生變化。單片機驅動0832 芯片，分別讀取UP、DW、LF、RT 電壓值。如果UUP＞UDW，舵機向下轉動；如果UUP＜UDW，舵機向上轉動；如果ULF＞URT，舵機向右轉動；如果ULF＜URT，舵機向左轉動：控制PWM 的占空比。

圖12 太陽能自動追光系統原理圖

2.5 自控燈光感應系統的搭建

自控燈光感應系統由光敏電阻同TP4056 相連接，當光敏電阻所處環境的光線亮度發生改變時，其電阻值大小也會發生相應變化，使得TP4056 通道得到的電壓信號值發生對應變化，由TP4056 轉換成相應數字信號，傳遞給STC89C52 單片機進行處理。原理圖如圖13 所示。

圖13 自控燈光感應系統搭建原理圖

3 結語

本新型遙控式生態修復船可廣泛應用于海洋、干渠、湖泊、河流、水渠等水域的常態化生態治理修復，具有以下創新點：采用光敏自控式燈光，可滿足夜間工作條件并且節省能源；采用攪碎與壓縮裝置，可節省儲存空間，降低運收成本，方便回收；采用攝像頭+燈光，可深入隧道等特殊環境；利用單片機進行智能控制，遠程操作，安全可靠；設有噴灑模塊，可噴灑各種生態治理藥物，實現生態修復；符合“碳達峰”“碳中和”發展趨勢，采取可充式動力源提供能源，且可利用太陽能進行充電，環保性高。