基于自動控制的水陸兩棲垃圾處理裝置設計*

張清蓉 ，王國棟 ，陳龍燦

（重慶移通學院，重慶 401520）

0 引言

隨著近幾年我國生態文明建設步伐的加快，國家對水環境質量改善及治理的重視程度逐漸提高，水體環保問題愈發受到社會關注。水面垃圾不僅包括浮萍、水葫蘆等水生植物，還包括漂浮在水面上的生活垃圾，如白色垃圾、樹枝等，這些水面垃圾會污染水體，破壞水體內的生物鏈，對水體造成嚴重影響。隨著人們生活水平以及城市綠化要求的提高，人們對水體污染的治理和水體垃圾的清理有了更加迫切的需求。

基于此，本文設計了一款自動化水陸兩棲垃圾打撈處理裝置，能夠實現全自動化的污染物打撈和處理，從方法層面上看，為相關研究工作的開展提供了參考信息；從技術層面上看，為水污染治理過程提供了科學技術支撐。

1 機械設計制造應用自動控制技術的優勢

1.1 提高生產效率和產品質量

所謂的自動控制技術就是在沒有人參與的情況下，機器或設備能夠按照預期設定的程序或指令正常工作。借助自動控制技術[1]，生產設計不斷改進，傳統機械設計相關缺陷與不足得到彌補，進一步提高了生產效率和產品質量。

1.2 降低成本

傳統機械生產與制造過程以人工操作為主，生產效率難以提升，導致制造企業成本較高，而這會使得整個機械制造業的發展受到阻礙。隨著自動控制技術的發展及應用，生產原料的精細控制得以實現，廢料率不斷降低之后，生產成本得到了有效控制，生產效益明顯提升。并且生產廢料可以經過二次加工，制成新的產品，在有效控制廢料污染的同時，進一步降低成本[2]。

1.3 實現精準化、智能化操作

運用自動控制技術后，可以將存在的問題有效解決。首先，自動控制技術[3]可以利用控制器編程實現對機械設備的精細遠程控制；其次，自動控制技術可以嚴密監視整個工作流程的執行情況，整個過程不需要人工參與；最后，相關分析科學化，能夠及時發現并解決流程問題，盡可能將經濟損失降到最低。

2 水陸兩棲垃圾處理裝置的機械結構設計

本文主要采用UG軟件[4]進行產品的整體外觀設計，具體的外觀設計如圖1所示。該水陸兩棲垃圾處理裝置主要由4個車輪、機械手、螺旋槳、同步輪、同步帶、直流電機、推桿等部件組裝而成。

圖1 三維模型外觀設計正視圖

3 核心用戶用例與工作原理介紹

3.1 核心用戶用例

水體（海洋、長江流域等）環保問題愈發受到社會關注，就當前發展狀況來看，多數區域仍然使用人工清理打撈的方式，耗時耗力。為了提高水體清理效率，各種水面垃圾清理機器人成功研發并投入使用。然而現有的水面垃圾清理機器人打撈水上垃圾的方式主要有吞進式和傳送式兩種，傳統的傳送帶結構存在無法快速捕捉到水瓶垃圾等易滑動物體的缺陷，打撈效果差，且打撈后的垃圾體積較大，而水面垃圾清理機器人的內部存放空間不夠，存在一定的局限性。

常見的水體垃圾處理器功能單一且不具有水陸兩用功能，而本設計充分運用了自動控制技術，與傳統設備相比，不僅僅可以應用在海洋或者長江流域，通過遠程操控設備，不管是水域環境還是陸地環境，都能夠實現自動清理[5]。

3.2 工作原理

該裝置主要能夠實現水面固體垃圾的打撈以及油污和重金屬的處理。該裝置整體功能流程圖如圖2所示。在打撈船上安裝有無線圖傳攝像頭云臺，可以在顯示屏上觀測水面情況，若觀測到垃圾，則電機驅動螺旋槳運行到垃圾處，打撈船前方斜置的擋板傳送同步帶開始運行，電機驅動同步帶轉動，將垃圾傳送到平臺的垃圾收集處；垃圾桶上端有一個超聲波距離傳感器，當垃圾桶裝滿垃圾之后，會通過藍牙傳輸到手機終端，提示垃圾已滿；當手機接收到垃圾已滿的信息后，將遠程操控進入四輪運行狀態，離開水體環境進入陸地行駛；當設備進入陸地時，控制器控制電機推動電缸上下移動，從而實現螺旋槳的升降，設備進入陸地環境后按照規定的路線運行到垃圾站，完成垃圾的自動傾倒，實現垃圾桶的自動清理。

圖2 整體功能流程圖

除此之外，該設備還能實現對水體環境中油污的處理，當安裝在裝置上端的攝像頭拍攝到水面上有油污時，可以通過操作機械臂將存放在裝置上的化油劑拋灑到水面上，從而達到治理水面上油類污染的目的。

在打撈船上安裝水質檢測傳感器，該傳感器可以實時檢測大致的水質情況，通過主板上內置的藍牙模塊將水質檢測數據傳輸到手機終端，人們可以通過手機終端查看當前水質情況，為后續水體污染進一步治理提供數據支持。考慮到干擾問題，目前提供了兩套操作模式，分別是2.4 GHz無線電手柄遙控和手機藍牙遙控[6]。

水體垃圾以及陸地垃圾的自動處理過程所需的電源均由鋰電池提供，故該設備在整個處理過程中不會造成二次污染，實現了水體環境的環保處理。

3.3 功能測試

3.3.1 Arduino控制器

圍繞Arduino控制器的項目，能夠只有Arduino[7]，也可以同時包含Arduino和其他能夠在PC上兼容的軟件，它們之間可以通過Flash、Processing、MaxMSP等來達成通信的目的。本設計中電機的驅動、超聲波傳感器的驅動、機械手上舵機的驅動都是通過該控制器來實現的。

3.3.2 直流電機

本設計共用了7個電機，4個車輪采用獨立驅動方式。為了考慮裝置上電機的防水性，四輪選擇使用鏈條傳動的模式完成驅動及轉向，電機通過聯軸器連接鏈條，電機驅動鏈條從而帶動輪胎的運動，具體如圖3所示。

圖3 鏈條傳動

3.3.3 舵機

本裝置主要利用舵機來控制機械臂的360°旋轉，方便化油劑的多角度投放。其工作流程為：控制信號→控制電路板→電機轉動→齒輪組減速→舵盤轉動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。

3.3.4 機械臂

六自由度機械臂常見于高校教學領域、個人DIY制作以及創客教育之中，可以將其看作是一個較為簡單的多自由度演示平臺。主要由6個4 V電機組成動力系統，機械手可正常進行抓取、搬運、演示動作，金屬舵機輸出具有較強的穩定性。也可以選用deadly的數字舵機轉向關節，選擇進口軸承不僅能夠提升轉向的靈活性，而且能夠保證舵機圍繞同一圓心轉動。本設計采用了MG996R模擬舵機[8]。

3.3.5 螺旋槳的自動升降

本設計的亮點在于，當垃圾桶收集滿垃圾以后，設備可以通過四輪自動運行由水體環境進入陸地環境。為了實現水陸兩用，避免上陸地的過程中螺旋槳引起的觸地，可以通過機械結構設計實現螺旋槳的自動升降。

本設計在兩個螺旋槳處各剛性連接了一個電缸，電缸安裝在滑動導軌上[9]，通過電機驅動電缸的上下移動，電缸與螺旋槳[10]的固定軸是剛性連接的，電缸上下運動從而帶動螺旋槳的上下移動，最終實現螺旋槳的自動升降功能。船槳電缸具體如圖4所示。

圖4 船槳電缸

3.3.6 垃圾桶的自動傾倒

當裝置上的垃圾桶在水體環境中收集滿垃圾后，通過電機驅動四輪運動，實現裝置由水體環境向陸地環境的運行，當裝置運行到離垃圾站5 cm處時，語音播報系統將提示工作人員控制電缸工作，通過控制電缸的升降，實現垃圾桶的自動傾倒，完成垃圾的自動清理。垃圾桶電缸如圖5所示。

圖5 垃圾桶電缸

4 總結

本文以自動控制技術及機械設計原理為理論支撐，以UG為機械結構設計軟件，設計了一款水陸兩棲垃圾處理裝置。在微控制器Arduino的控制下，該裝置能夠完成電機、舵機、機械臂、電缸、攝像頭、傳感器等硬件的驅動。設計的水陸兩棲垃圾處理裝置采用自主機械結構，可以實現全自動化的控制過程和水陸兩棲的垃圾自動清理過程，充分將自動控制技術與機械設計制造完美融合，使得裝置功能強大，穩定性、快速性及準確性都符合預期，具有良好的實用價值。