基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置研究＊

李福冬，唐 甜，2，孟德明，2，陳尉棋，曹新玉，楊弦璀，廖夢杰

（1.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學電子電路國家級實驗教學示范中心，廣西 桂林 541004）

截至2022 年，全球水面垃圾數量將達6 億t，不僅污染環境，還造成資源浪費。對垃圾的回收是綠色家園建設的保證，引起了全民的關注，目前市面上出現了一些垃圾回收的裝置[1-2]。本文基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置，可全天候24 h 工作，擁有GNSS 全球衛星導航系統和自主導航系統，可實現無人自主工作，攜帶九軸傳感器，可以克服極端天氣，實現了安裝平衡及正常工作。此外還配置了太陽能電池板，提高裝置的續航能力。

1 水面垃圾回收裝置的研發現狀分析

“廈門灣海漂垃圾漂移軌跡預測系統”是在西北太平洋、臺灣海峽及中國沿海港灣的水動力模型的基礎上，結合廈門海洋垃圾監測與防治的管理需要進行的精準研發[1]。該系統基于天氣預報模型、海洋數值預報模型，融合了海漂垃圾實時監控信息，模擬并預測廈門灣海漂垃圾漂移軌跡，然后通過廈門大學海洋監測與信息服務中心進行發布和推送。

歐洲SeaClear 科研團隊開發了一種可在水下收集垃圾的機器人系統——“凈海”，該系統通過深度學習算法和聲學傳感器將垃圾與動植物區分開來，使用定制設計的抓取器和抽吸設備收集檢測到的垃圾，并將垃圾放到位于水面的收集箱中。通過多主體控制技術，將所有機器人都相互連接，除了設置一個機器人的初始命令外，整個系統無需人工干預。

海上垃圾回收裝置正在向小中型機器人研究進發，采用MSP430 單片機下C 語言編程設計，能大大提高處理問題的能力[3]；使用超聲波避障尋找垃圾，對垃圾位置進行精確定位；采用太陽能源與電池結合的電能供給方案，提高工作效率。

2 水面垃圾回收裝置的工作機理分析

2.1 人工智能算法

通過采用計算機技術，在多個函數的控制下構建復雜而完整的系統，通過高質量擬合效果的神經網絡算法，提高對識別對象具體的信息處理的能力。本裝置利用計算機技術的云計算，采用神經網絡算法，相對于傳統的回收裝置，擁有更高的數據信息檢索能力和更快的信息匹配能力，在高效回收垃圾的同時，不影響水中生物的正常棲息。

2.2 太陽能動力源

太陽能動力源的核心為太陽能發電裝置，實現能量的轉化，為水面垃圾回收裝置提供源源不斷的電能。用數字信號處理作為系統控制核心，以Boost 升壓電路作為主回路，同時還有逆變電路、并網跟蹤零電路等其他外圍電路組成太陽能發電系統。本文設計的太陽能發電系統應用到的是單片機STM32 系列[4]，可通過主板設計來改善系統抗干擾能力及擴展能力，擁有超低的研發成本，實時性能好，更適合于太陽能發電系統的設計。

2.3 水面垃圾回收裝置

將水面垃圾回收裝置放置于水流湍急的漩渦處，利用水流的流動性，將水面垃圾匯集到垃圾回收裝置附近，不僅可以節省能量，還可以提高垃圾回收效率。只需要消耗較小的能量作為動能，實現能量的最大利用。據相關數據統計，可以將裝置的能耗降低3%，再加上太陽能裝置不斷發電，實現裝置更高的續航。對于水面垃圾的識別，采用CCD（Charge Coupled Device）傳感器，將電荷轉換成為電壓，然后進行AD（模數）轉換得到圖像，用時鐘脈沖驅動，將生成的視頻信號進行二值化處理，分辨是否為水面垃圾。

3 水面垃圾回收裝置的設計

3.1 總體設計

水面垃圾回收裝置設計過程中，外形設計為圓滑桶形，減少裝置在水面移動所產生的阻力。在上表面安裝一塊太陽能板，當太陽光照射時，將它產生的能量不斷地轉換成電能儲存到圓桶形底部的電池中。在圓形桶上部安裝浮力倉裝置，以便水面垃圾回收裝置能夠懸浮在水面上。推進器安裝在圓桶兩側的中上部，讓水面垃圾回收裝置能夠在水面上移動。在圓桶中部安裝感應器和GPS（Global Positioning System）定位裝置，通過紅外感應器感應，偵測前方是否存在障礙物，通過CDD 傳感器識別垃圾，將信息反饋到終端。裝置內部設置成一個內膽，內部套上一個可重復利用的碳纖維袋子。底部設計成圓形的發動機裝置，可將周圍垃圾在吸力作用下吸進內膽袋子，從而完成垃圾的收集。裝置剖面圖如圖1 所示。

圖1 人工智能算法的太陽能水面垃圾回收裝置剖面圖

為方便用戶使用設備，在設備中加入Wi-Fi 模塊，將工作狀態信息傳至用戶手機APP 或PC 端，實時了解工作情況，并能夠及時調整設備工作狀態，保證設備正常工作。

3.2 水面垃圾回收裝置的功能性設計

3.2.1 太陽能板穩壓輸出電路

為使太陽能板充電電路能夠在恒電流、恒電壓模式下對鋰電池進行充電，采用充電芯片TP4056。該芯片集成功率MOSFET 電路的降壓開轉換器，有過熱關斷保護功能。鋰電池也可以給充電模塊進行反向供電，實現無充電情況下維持低功耗的工作模式，同時監測設備的單片機不斷檢測鋰電池的電壓。當電壓低于4.2 Ⅴ時，開啟充電模式；當鋰電池的電壓達到浮充電壓后，芯片將充電的電流降到初始設定電流值的10%，芯片TP4056 將停止對鋰電池的充電，同時將鋰電池的充電電流模式調整成低電流充電模式，起到保護電池的作用，提高電池壽命。TP4056 芯片控制流程如圖2 所示。

圖2 TP4056 芯片控制流程圖

3.2.2 平衡和驅動系統

為使裝置更好地平衡懸浮在水面上工作，采用九軸傳感器模塊MPU9250，對裝置姿態數據進行采集；采用超聲波測距模塊HY-SRF05，測與前方障礙物之間的距離；采用藍牙模塊ZS-040，與上位機建立連接并發送指令。

采用九軸傳感器模塊MPU9250 首先檢測裝置的傾斜角度和加速度，并將數據傳送至STM32F103 單片機，單片機調用片內燒錄的角度控制函數，使用PD（Priority-driven scheduling）算法計算出相應的PWM（Pulse Width Modulation）波并輸出至電機驅動模塊L，控制電機轉動，抵消裝置的傾斜，達到直立平衡。

超聲波測距模塊HY-SRF05 通過超聲波發射器自動發出方波，并且檢測有無信號返回，當超聲波接收器接收到返回信號時，通過I/O 口輸出高電平，由高電平持續的時間計算得到測試距離。

藍牙模塊ZS-040在空曠環境下的有效傳輸距離達10 m，與上位機建立連接，發送前進、后退、左轉、右轉指令控制裝置運動。平衡和驅動系統如圖3 所示。

圖3 平衡和驅動流程圖

3.2.3 傳感器感應系統

對障礙物的識別處理，采用紅外感應技術。紅外發射二極管采用直向發射，有垃圾在附近時，阻礙紅外線的發射，一部分紅外線反射回來。通過模塊電路的處理，輸出電平信號，從而實現單片機對障礙物的感應。

3.2.4 實時動態-全球衛星導航系統（RTK-GNSS）

在水面區域，由于水流等因素導致裝置視角范圍限制及計算延遲，不能準確預判裝置行駛路線，采用實時動態-全球衛星導航系統（RTK-GNSS）能夠更好地進行工作[5]。

RTK-GNSS 可對儲存路徑信息及實時定位進行導航。且GNSS 導航系統采用RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分定位技術，定位信號更新頻率最高為10 Hz，動態水平定位精度為±1 cm，動態垂直定位精度為±2 cm。RTK-GNSS 為裝置提供高精度定位信息。慣性傳感器可以自主感應水面機器的3D運動角速度和線加速度，基于航位推算原理進行導航定位，以GNSS定位為主，融合MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）慣性傳感器，實現導航定位。實時動態-全球衛星導航系統流程圖如圖4 所示。

圖4 實時動態-全球衛星導航系統流程圖

3.3 技術優勢

裝置采用基于人工智能的神經網絡算法，可以快速獲取圖像，確定識別的物體。平衡感應裝置在感應到水面浮動后調節裝置的平衡，使裝置正常運行。該裝置安裝了GNSS 全球衛星導航系統和自主導航系統，可精確定位裝置所在位置，以便于管理員實時監控。在未來的市場中，可以將該裝置投放于更多的江河流域，實現全自動化清理垃圾。在技術成熟時，可以對其部分技術進行升級和擴展。

4 結論

本文提出了一種基于人工智能算法的太陽能水面垃圾回收系統，并給出了該水面垃圾回收裝置的結構設計及控制系統設計流程。該裝置以GNSS 定位為主，融合了MEMS 慣性傳感器，攜帶九軸傳感器聯合電機驅動實現裝置可控，針對水上漂浮式垃圾尤其是水漂垃圾的分散性等特點，可主動對水上漂浮物進行生態打撈，提高中國對水上漂浮物垃圾的處理效率和質量。