一種雙船體結(jié)構(gòu)的水面智能清道夫設(shè)計(jì)

馮登財(cái)，朱翔，樂明于，吳偉

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214121)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，往往忽視了對環(huán)境的保護(hù)，這就使得近幾年來世界水資源質(zhì)量不斷下降，水環(huán)境持續(xù)惡化，越來越受到人們的關(guān)注。河流、湖泊里的漂浮垃圾的污染已經(jīng)逐步影響到市民的飲水、環(huán)境衛(wèi)生及市容市貌。

內(nèi)陸湖泊垃圾無法有效清潔主要因?yàn)椋簝?nèi)陸湖泊的地形復(fù)雜，湖區(qū)水流形態(tài)多樣，不同水域深度不一，水草茂盛，水動(dòng)力條件不同，這些因素都會(huì)影響垃圾的分布和清潔難度。而且內(nèi)陸湖泊周圍多為城市或農(nóng)村，人口密集，人們流入垃圾的渠道很多，其中，固體垃圾是主要來源。對于內(nèi)陸湖泊的垃圾清理而言，實(shí)用的技術(shù)和設(shè)備并不充足，夾板船等傳統(tǒng)工具效率低，電動(dòng)船等新型清潔設(shè)備相對價(jià)格昂貴，不能全面地覆蓋到需要清理的區(qū)域。缺乏有效技術(shù)和設(shè)備。因此，為了有效清潔內(nèi)陸湖泊垃圾，提高湖泊垃圾清理效率，本文設(shè)計(jì)了一種新型的雙船體結(jié)構(gòu)的水面清潔機(jī)器人。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與闡述

該船主要由船體、動(dòng)力裝置、船體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、垃圾清潔裝置和智能控制裝置組成。船體結(jié)構(gòu)包括第一船體和第二船體，還有可拆卸收集網(wǎng)和固定板。驅(qū)動(dòng)裝置由能源裝置和推進(jìn)裝置組成。垃圾清潔裝置包括可拆卸收集網(wǎng)和拉力傳感器。智能控制裝置包括攝像頭模塊、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器。垃圾清潔是通過船體間的葉輪造流，將船體前方的垃圾吸入垃圾收集區(qū)，再傳輸壓縮至垃圾儲(chǔ)存箱中。等垃圾收集任務(wù)完成，船體泊岸后，從岸邊把垃圾倉打包運(yùn)走，收集作業(yè)完畢。作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 收集垃圾流程圖

1.1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一船體和第二船體的長度和寬度相同，中心線對稱，船體底部采用雙弧形設(shè)計(jì)，增強(qiáng)船體穩(wěn)定性和降低水阻。第一船體和第二船體的上部邊緣設(shè)置護(hù)舷，保護(hù)船體和垃圾清潔裝置，并增強(qiáng)船體強(qiáng)度。垃圾區(qū)利用船體間的葉輪造流將垃圾吸附到中間的可拆卸收集網(wǎng)中，收集網(wǎng)采用網(wǎng)格設(shè)計(jì)，能夠有效收集和過濾垃圾同時(shí)減小水流阻力。拉力傳感器安裝在可拆卸收集網(wǎng)上方，能夠測量垃圾清潔裝置的拉力，確保垃圾清潔裝置工作安全。

固定板采用高強(qiáng)度材料制造，能夠承受垃圾清潔裝置的拉力和船體的穩(wěn)定性，同時(shí)固定板上方搭載智能控制[2]裝置，包含攝像頭模塊、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等多種傳感器和控制模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船體的運(yùn)行狀況和垃圾清潔工作的進(jìn)度，為操作人員提供必要的數(shù)據(jù)支持，確保工作的高效運(yùn)行。同時(shí)，智能控制裝置還可以自動(dòng)化控制船體的航行軌跡和垃圾清潔的區(qū)域，避免操作人員疏忽或出錯(cuò)造成的損失和延誤。驅(qū)動(dòng)裝置包括能源裝置和推進(jìn)裝置，能源裝置采用太陽能和電池供電，能夠滿足船體長時(shí)間的運(yùn)行和垃圾清潔工作。推進(jìn)裝置采用防纏繞型螺旋槳，能夠提供強(qiáng)大的推進(jìn)力和靈活的航行性能。整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，具有高效率、安全、可靠等多種優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

本設(shè)計(jì)采用雙船體用于水面清潔主要是因?yàn)槠溆羞@幾大優(yōu)點(diǎn)：提供更多的自由空間更寬的工作面積：傳統(tǒng)的單體船只能在水面運(yùn)行，受限于船身大小和水深等限制，無法進(jìn)行大面積清潔工作，所以清潔效率和速度比傳統(tǒng)船只更高。而雙船體結(jié)構(gòu)可將清潔設(shè)備放置于連接架上，在水下進(jìn)行清潔，從而大大擴(kuò)大了清潔面積和深度。更加安全可靠和穩(wěn)定：由于雙船體結(jié)構(gòu)采用支撐架連接兩個(gè)船體，使得整個(gè)船身更加穩(wěn)定、安全，而能夠更好地應(yīng)對湖面波動(dòng)的情況，保證安全地航行，更好地應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下的垃圾清理工作。更高的載重能力：雙船體結(jié)構(gòu)可以增加船只的載重能力，從而能夠搭載更多的設(shè)備和工具進(jìn)行湖面垃圾的清理工作。雙船體設(shè)計(jì)也可以減小船體的水阻，提高航行速度和效率。同時(shí)，收集垃圾的方式為自然漂浮方式，無須額外能源，也能避免污染排放。尾部垃圾收集器采用耐用的材料制作，結(jié)構(gòu)簡單，清潔方便，降低維護(hù)成本。因此，雙船體結(jié)構(gòu)是一種更加高效、安全、環(huán)保的清潔湖面垃圾方法，將在未來得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 硬件與功能設(shè)計(jì)

1.2.1 視覺識(shí)別

本設(shè)計(jì)利用OpenMV[3]識(shí)別垃圾、GPS定位船體和垃圾位置并自動(dòng)繪制尋跡路線，完成清理垃圾。首先利用OpenMV 識(shí)別垃圾：利用OpenMV 的識(shí)別算法的圖像處理技術(shù)，先手動(dòng)采集一些帶垃圾的水面圖像，將其傳輸?shù)絆penMV 開發(fā)板中，訓(xùn)練OpenMV 識(shí)別特定的垃圾。當(dāng)OpenMV 拍攝到垃圾時(shí)，可以進(jìn)行識(shí)別和分類，判斷是否需要清理。使用OpenMV 的圖像分析模塊，將圖像切割并分析出每個(gè)垃圾的位置。為每個(gè)垃圾分配一個(gè)ID.將所有帶垃圾的圖片經(jīng)過這個(gè)流程的分析，得到包含每個(gè)垃圾所在位置和對應(yīng)ID的位置列表。如圖3所示。

圖3 視覺識(shí)別垃圾

1.2.2 自主導(dǎo)航

該功能是雙船體湖面垃圾清潔船可根據(jù)垃圾設(shè)定的路線和任務(wù)自主導(dǎo)航，無須人工控制。為了讓無人船能夠清理垃圾，需要對無人船進(jìn)行導(dǎo)航[4]，從而能夠在水面區(qū)域自主尋找?guī)в欣膮^(qū)域。這就需要用到GPS定位的功能。在船體上安裝GPS定位裝置，通過GPS 定位船體和垃圾位置，在OpenMV 中配置相應(yīng)的GPS通信協(xié)議，能夠?qū)崟r(shí)獲取船體和垃圾的位置信息。OpenMV獲取無人船當(dāng)前的GPS位置。檢查每個(gè)垃圾所在的位置，并計(jì)算船體和每個(gè)垃圾的距離。通過分析距離和垃圾分配的ID，生成包含船體和每個(gè)垃圾所在位置的列表。如圖4所示。

圖4 自動(dòng)尋跡控制圖

為了讓無人船按照規(guī)劃好的路線清理垃圾，需要生成一條適合無人船的尋跡路線。首先需要對當(dāng)前位置和垃圾位置進(jìn)行定向。創(chuàng)建一個(gè)二維平面坐標(biāo)系用來表示船體和垃圾的位置信息。利用獲取到的位置信息，利用算法和數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算出船體前進(jìn)方向與目標(biāo)垃圾的夾角，然后得到船體需要前進(jìn)的方向。將前進(jìn)的方向向船體前進(jìn)方向修正，得到更加適合無人船實(shí)際運(yùn)動(dòng)的方向。隨著前進(jìn)的距離和新的位置和船體位置的關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，重復(fù)這個(gè)步驟，直到完成整個(gè)路線的規(guī)劃。

1.2.3 垃圾清潔

該功能是機(jī)器人通過集成各種垃圾清理器材和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)湖面垃圾的自動(dòng)清理和處理。湖面清潔船[5]用尾部的網(wǎng)籠型內(nèi)部壓縮垃圾，是一種專門用于清理湖泊和水體中垃圾的船只。其尾部裝有一個(gè)網(wǎng)籠型裝置，可以將浮在湖面或水體中的垃圾撈起來，然后把垃圾放入內(nèi)部壓縮裝置中進(jìn)行壓縮處理，使得垃圾的體積大大減小，從而更方便地收集和處理。

尾部垃圾收集器采用網(wǎng)籠設(shè)計(jì)，可保證垃圾被牢固固定，避免因垃圾移動(dòng)而導(dǎo)致的危險(xiǎn)情況。這種結(jié)構(gòu)具有幾點(diǎn)好處。高效清潔：尾部網(wǎng)籠型垃圾收集器可大量收集污染物質(zhì)，清潔效率高。多功能協(xié)作：尾部垃圾收集器采用可拆卸形式，可以與其他清潔設(shè)備協(xié)同工作，如邊界清潔用具、電子控制系統(tǒng)等，提高清潔效率和質(zhì)量。同時(shí)，該設(shè)備還可以對收集到的垃圾分類、壓縮等處理，減少廢棄物的體積和對環(huán)境的影響，提高資源利用率。如圖5和圖6所示。

圖5 收集垃圾的葉輪

圖6 可拆卸網(wǎng)裝垃圾收集區(qū)

當(dāng)無人船到達(dá)目的地時(shí)，需要使用葉輪造流來清理垃圾。為檢查垃圾是否進(jìn)入收集區(qū)，在機(jī)械臂中安裝一個(gè)攝像頭，檢查垃圾是否清理干凈。同時(shí)當(dāng)收集區(qū)的壓力傳感器警報(bào)時(shí)船體則自動(dòng)返航。到達(dá)岸邊完成垃圾的清理。垃圾清理流程圖如圖7所示。

圖7 船體清潔垃圾的流程圖

這些步驟結(jié)合起來，就能夠讓無人船和OpenMV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別垃圾定位船體和垃圾的位置，自動(dòng)規(guī)劃尋跡路線和清理垃圾的功能，這樣，極大地減少了人的干預(yù)，提高了清理效率，也為環(huán)境保護(hù)出了一份力。

1.2.4 多功能性

該功能是利用云平臺(tái)可監(jiān)測湖內(nèi)水質(zhì)和輔助清理污染物。無人船上的傳感器和云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)湖泊質(zhì)量監(jiān)視[6]的實(shí)時(shí)化、高效化和智能化。比如需要監(jiān)測的指標(biāo)，例如水溫、水質(zhì)、溶解氧、pH值等。然后根據(jù)指標(biāo)選擇相關(guān)的傳感器，并將其安裝在無人船上。設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率和時(shí)長等參數(shù)，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。

再利用物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫?，方便管理和監(jiān)控。建立數(shù)據(jù)傳輸通道，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙、Wi-Fi 等方式傳輸給云平臺(tái)。云平臺(tái)將海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取有用的信息和數(shù)據(jù)趨勢，并生成可視化的報(bào)表和圖表。通過對數(shù)據(jù)的分析和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測湖泊質(zhì)量變化，并及時(shí)發(fā)出告警或預(yù)測。此外通過數(shù)據(jù)分析和可視化報(bào)表，優(yōu)化湖泊管理策略，提高湖泊水質(zhì)；并為決策者提供可靠的參考依據(jù)。

值得注意的是，操作人員需要定期對傳感器進(jìn)行檢修和維護(hù)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。另外，通過云平臺(tái)的數(shù)據(jù)可對垃圾收集區(qū)進(jìn)行拆卸，裝配需要的控制器實(shí)現(xiàn)智能操控改善水質(zhì)或者投放物料等操作，大大降低人工投入成本和提高自動(dòng)化能力。具體的云平臺(tái)控制圖如圖8所示。

圖8 云平臺(tái)監(jiān)控控制圖

2 總結(jié)

該垃圾清潔機(jī)器船的使用非常方便，只需啟動(dòng)機(jī)器船上的控制裝置，便能夠自動(dòng)制定出最適合的路線進(jìn)行清潔。同時(shí)，在收集垃圾時(shí)，可拆卸收集網(wǎng)能夠快速收集，拉力傳感器也能夠準(zhǔn)確判斷收集網(wǎng)是否已滿，并及時(shí)通過物聯(lián)網(wǎng)通信模塊向云端發(fā)送信息通知用戶處理。通過船體上的多種傳感器檢測水體質(zhì)量，改變垃圾區(qū)的模塊結(jié)構(gòu)完成多種功能，用于水面多種環(huán)境，是一個(gè)雙船體結(jié)構(gòu)的水面智能清道夫。這種智能化的設(shè)計(jì)，不僅大大提高了清潔效率，還減少了人力和物力的浪費(fèi)。

最后，需要強(qiáng)調(diào)的是，內(nèi)陸湖泊垃圾無法有效清潔的問題需要持續(xù)的關(guān)注和解決。政府、社會(huì)團(tuán)體和公民個(gè)人都必須采取行動(dòng)，共同努力解決這一問題。只有通過有效的合作和協(xié)調(diào)，才能確保內(nèi)陸湖泊的垃圾可以有效地清理，保護(hù)內(nèi)陸湖泊的健康和生態(tài)系統(tǒng)的平衡。