基于樹莓派的水面漂浮垃圾清潔機器人的設(shè)計與制作

摘要：針對小型水域漂浮垃圾的日常清潔需求，設(shè)計制作了一款基于樹莓派的自動清潔垃圾機器人。該機器人船體設(shè)計為雙船體流線型，以樹莓派3B為控制器，采用全球定位系統(tǒng)（Global"Position"System，GPS）模塊和機器視覺識別模塊進行航線規(guī)劃，采用局部二值模式（Local"Binary"Pattern，LBP）級聯(lián)分類器進行垃圾物目標(biāo)檢測，以螺旋槳和葉輪組成雙動力裝置，通過吸入漏網(wǎng)式回收垃圾裝置來提高回收效率。經(jīng)測試表明，機器人可以在水面航行過程中或靜止在某固定點完成漂浮垃圾的收集，實現(xiàn)小型水域垃圾清理的高效化與智能化。

關(guān)鍵詞：清潔機器人""視覺識別"""太陽能供電"""垃圾收集

Design"and"Production"of"a"Floating"Garbage"Cleaning"Robot"Based"on"Raspberry"Pi

LIU"Meihua1*""ZHANG"Qihang2""ZHU"Zhangjie2""CAO"Zhengwei2""LONG"Tao2

1.College"of"Intelligent"Science"and"Engineering，"Hunan"University"of"Engineering，"Xiangtan，"Hu’nan"Province，"411101"China；2."Applied"Technical"School"，"Hunan"Institute"of"Engineering，"Xiangtan，"Hu’nan"Province，"411101"China

Abstract："In"response"to"the"daily"cleaning"requirements"for"floating"garbage"in"small"water"areas，"an"automatic"garbage"cleaning"robot"based"on"Raspberry"Pi"was"designed"and"fabricated."The"hull"of"the"robot"is"designed"as"a"double-hulled"streamlined"design，"with"Raspberry"Pi"3B"serving"as"the"controller."It"uses"Global"Position"System"（GPS）"modules"and"machine"visual"recognition"modules"for"route"planning，"and"uses"the"Local"Binary"Pattern"（LBP）"cascaded"classifier"for"target"detection"of"garbage"objects."A"dual"power"device"is"composed"of"propellers"and"impellers，"and"the"recovery"efficiency"is"enhanced"by"sucking"in"a"mesh"type"garbage"collection"device."Test"results"indicate"that"the"robot"can"complete"the"collection"of"floating"garbage"during"the"process"of"sailing"on"the"water"surface"or"remaining"stationary"at"a"certain"fixed"point，"achieving"high"efficiency"and"intelligence"in"the"cleaning"of"garbage"in"small"water"areas.

Key"Words："Cleaning"robot;"Visual"recognition;"Solar"power"supply;"Garbage"collection

水域垃圾清理在支撐生態(tài)環(huán)境治理、構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系和促進人與自然和諧共生等方面發(fā)揮了重要作用。目前，國內(nèi)外水面垃圾清理裝置一般為大型的綜合清潔船，如美國推出的"TrashCat"系列清理船、西班牙開發(fā)的SOLID系列清潔船，以及中國生產(chǎn)的世紀(jì)之光、魯青海潔、智能水面無人清潔船等[1-2]。這些垃圾清理船的技術(shù)成熟、功能完善、自動化水平較高，但成本也非常高，并且船體大，移動不方便，主要適用于江、河、湖、海等大面積水域的垃圾清理，并不適用于小型水域的日常維護。

為了解決旅游景區(qū)、內(nèi)陸河、農(nóng)村池塘等小型水域、水面垃圾的清理需求，本文設(shè)計一款機動靈活、使用簡便的小型水域漂浮物自動清理機器人。該機器人能夠在水面航行過程中或靜止在某固定點完成漂浮垃圾的收集，實現(xiàn)小型水域垃圾清理的高效化與智能化，解決了傳統(tǒng)人工打撈存在的費時費力、安全系數(shù)低的問題。

1"機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

水面漂浮垃圾自動清潔機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由船體結(jié)構(gòu)、動力裝置、垃圾收集裝置等組成。

1.1"船體結(jié)構(gòu)

機器人在水面進行垃圾清理時，其穩(wěn)定性非常重要。因此，本文設(shè)計了流線型雙體船結(jié)構(gòu)，其設(shè)計依據(jù)如下。

（1）船體設(shè)計為雙體船，由左、右兩個船體組成。橫搖時，回復(fù)力矩是同樣排水量的單體船的若干倍，有效避免了船體左右搖晃，確保在較大風(fēng)浪的前提下仍能穩(wěn)定工作。

（2）船體空間寬闊。船體需要寬闊的空間來安裝容量較大的網(wǎng)狀式垃圾收集箱、傳送裝置、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。雙體船寬度較大，兩船體之間的空間開闊，使這些設(shè)備能夠合理、有效的布置。

（3）流線型外形。流線型外形更加美觀，同時對水流有順流作用，可以減少水中阻力對機器人的能源消耗，提高其在湖面、河流中的能動性。

1.2"動力裝置

機器人的水下推進裝置主體采用“螺旋槳+水上葉輪”的雙推進裝置。使用螺旋槳驅(qū)動時，驅(qū)動力較強，可以大大減少水面機器人移動到目標(biāo)所花費的時間，但顯然不便于推動船體進行精準(zhǔn)細(xì)微的方向調(diào)整，并且螺旋槳安置于水下有被水草纏繞的風(fēng)險；葉輪在轉(zhuǎn)動時不容易卷入水生植物，且可以進行精確控制，但是動力比較弱，驅(qū)動效率較低。因此，本文結(jié)合螺旋槳和葉輪二者優(yōu)點進行機器人推進裝置的設(shè)計。

1.3"垃圾收集裝置

垃圾收集裝置是清潔機器人的重要機構(gòu)，用以實現(xiàn)垃圾的打撈和收集。為了提高清潔機器人的作業(yè)效率，最好在較小的質(zhì)量下盡可能地增大垃圾收集箱的體積。本文采用網(wǎng)狀式或網(wǎng)篩式垃圾收集裝置，安裝在左、右船體的中間，由塑料膠網(wǎng)裁剪制成，網(wǎng)孔大小可以根據(jù)需要收集的漂浮物垃圾大小進行調(diào)節(jié)。

2"機器人的控制模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)是機器人的控制核心。系統(tǒng)控制部分由主控板、視覺識別模塊、遠程通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊、導(dǎo)航與定位模塊、推動與速度控制模塊、太陽能供電模塊等組成。

2.1"主控板

本次設(shè)計的控制器選型以樹莓派3B開發(fā)板作為主控板，搭載OpenCV與Tensorflow深度學(xué)習(xí)框架對圖像進行實時處理，進行實時的垃圾路線判斷，以達到控制該機器人在水中的速度、位置、航向等狀態(tài)[3]。同時，根據(jù)不同水面情況，可以控制水下螺旋漿和水上葉輪轉(zhuǎn)動來使機器人進行前進和后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的移動。

2.2"視覺識別模塊

視覺識別是垃圾清理機器人的最大技術(shù)難點，一是要克服水面波紋與光線明暗狀態(tài)、倒影等復(fù)雜狀況對識別的干擾；二是要考慮機器人航行過程中發(fā)生顛簸造成圖像模糊、細(xì)節(jié)不清晰；三是水面垃圾多為塑料漂浮物，經(jīng)過浸泡風(fēng)化后特征不明顯。本文采用基于OpenCV的級聯(lián)分類器訓(xùn)練樣本模型，其具體設(shè)計方案如下。

（1）對采集到的水面圖像濾波、增強預(yù)處理?？紤]到物體的相對灰度基本不受環(huán)境影響，這里擬采用能夠保留物體特征的局部二值模式（Local"Binary"Pattern，LBP）算子對采集到的水面圖像進行預(yù)處理[4]。

（2）提取特征向量，建立訓(xùn)練分類模型。為了提高目標(biāo)物識別率，需要通過多次改變攝像頭角度拍攝圖像，增加不同角度圖片樣本數(shù)量，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等建立和訓(xùn)練分類模型。

2.3"遠程通信與數(shù)據(jù)傳輸模塊

考慮到機器人遠程控制的需求，以及將識別的視頻數(shù)據(jù)同步到控制端便于操作者的控制，本文采用集成Wi-Fi的無線通信設(shè)備ESP8266"Wi-Fi模塊。

2.4"導(dǎo)航與定位傳輸模塊

機器人的定位與導(dǎo)航采用高性能的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（BeiDou"Navigation"Satellites"System/Global"Position"System"，BDS"/GPS）"的定位導(dǎo)航模塊"ATGM3325D-5N。根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，BDS模塊或GPS模塊將經(jīng)緯度、位置、速度等信息通過串口傳送到垃圾清潔機器人的主控芯片，為機器人定位、巡航的路線規(guī)劃做好準(zhǔn)備。

2.5"推進與速度控制模塊

當(dāng)機器人在無垃圾水域前往巡航范圍時，可以啟動水下螺旋槳提供較大速度，從而使機器人快速移動到目標(biāo)水域待機。當(dāng)機器人在目標(biāo)水域附近初始化后，經(jīng)攝像頭識別機體與目標(biāo)物體的大致位置后，將樹莓派3B計算后處理的數(shù)據(jù)下達轉(zhuǎn)動葉輪的指令，直到機體轉(zhuǎn)動到最佳的打撈位置才會繼續(xù)進行下一步操作。在靜水條件下，水面機器人前行速度的控制需要實現(xiàn)前進和后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩個自由度的運動。本文采用型號HS-646WP的傳統(tǒng)舵機來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向控制。

2.6"太陽能供電模塊

供電方面，采用綠色能源太陽能為裝置提供能量。太陽能板裝置主要有太陽能板、轉(zhuǎn)換器和電池。文中采用多晶硅太陽能電池板，采用12"V蓄電池組單電源進行供電與儲電。由于機器人各模塊的供電電壓不盡相同，因此，還需要進行電壓轉(zhuǎn)換來滿足各模塊的用電需求[5]。本文供電模塊設(shè)計思路如下。

（1）在主控底盤上設(shè)置一塊電源轉(zhuǎn)接板，采用多個DC轉(zhuǎn)DC模塊，將12"V的大跳動輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的5"V"。

（2）鑒于主控芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓不能超過"3.3"V，因此，必須再使用分壓的方法設(shè)置適當(dāng)?shù)姆謮罕?，將采樣電壓?5V下降到"3.3"V"以下。

3"機器人系統(tǒng)功能測試與實驗結(jié)果分析

3.1"視覺功能測試

在實驗中，對以下幾種常見的水面漂浮垃圾樣品（如易拉罐、塑料水瓶、牛奶盒、紙杯等紙制品、水果皮、塑料包裝袋等）進行數(shù)據(jù)采集，采用OpenCV級聯(lián)分類器模型進行訓(xùn)練和測試。從多次實驗的平均檢測結(jié)果中可以得出，計算機視覺測試具有較好的準(zhǔn)確性和實時性，但受光照度、清晰度、測試角度等因素影響，在陰天仍存在一定程度誤檢。

3.2"垃圾收集功能測試

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，機器人可以在水面平穩(wěn)運行。在沒有發(fā)現(xiàn)水面垃圾時，機器人按照風(fēng)向傳感器的信號朝風(fēng)向運動，并尋找目標(biāo)垃圾。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)垃圾物時，清潔機器人迅速移動至垃圾物前方，然后依靠其前端輔助裝置的運行把垃圾吸入至垃圾收集裝置，再通過船體下端水泵工作，在水面產(chǎn)生一個水勢差，將垃圾壓在后方收集箱內(nèi)，防止垃圾分散。當(dāng)機器人航行至人工湖岸邊時，超聲波避障模塊將傳遞信息給控制器，使機器人轉(zhuǎn)彎，機器人將繼續(xù)按照航行方案尋找垃圾。當(dāng)收集箱裝滿垃圾時，可以由人工輔助將收集箱從船體前端抽出倒入后續(xù)垃圾處理裝置[6]。

4"結(jié)語

本文所設(shè)計的基于樹莓派的水面漂浮垃圾清潔機器人能夠?qū)λ嫫±M行較為準(zhǔn)確的清掃，實現(xiàn)了垃圾清理的自動化和智能化，提高了垃圾打撈效率，降低了人工打撈的成本和隱患。

參考文獻

[1]"趙逸文."一種智能型水面垃圾清理機器人的設(shè)計與研究[D]."天津：天津理工大學(xué)，2022.

[2]"劉瑾，高增亮，錢明星，等.水面垃圾清理設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，"2022，35（5）："82-84，97.

[3]"湯偉，高涵，劉思洋.基于樹莓派的小型水域智能垃圾清理機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（34）：239-247.

[4]"陳橋，鄧卉彤，向冠名，等.基于機器視覺的水面巡航清潔機器人[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，33（3）：44-50.

[5]"江笑雨，陳加糧，周浩嵐.小型水面垃圾清理機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].吉首大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，42（3）：41-44.

[6]"劉伯運，趙帥，趙強強，等.水面垃圾清理機器人[J].兵工自動化，2022，41（2）：92-96.