水陸兩棲垃圾清理機器人結構及控制系統研究

0 引言

隨著經濟快速發展和城市化進程加快，固體垃圾的產生量迅速增加，對環境造成了嚴重影響。因此，合理清理固體垃圾，減少對生態系統的破壞，保護自然環境，已成為當今社會的重要議題。垃圾處理不當會導致一系列公共衛生問題，如病蟲害傳播、生態破壞和水源污染等。

近些年來，國內學者在垃圾清理機器人領域的研究取得了一定的成果：周亞東等設計的水上精靈專為深度淺、水流緩、形狀不規則的小型水域設計[2；張振楠等設計的自動規劃路徑的水陸兩棲巡航清理運輸車，可以實現水陸兩棲行駛、垃圾自動收集、處理與自主巡航等功能[3]。但現有研究均不能實現小型不規則水域及狹窄路面清理裝置的通用化。

因此，本文設計了一種針對小型不規則水域及狹窄路面清理的水陸兩棲垃圾清理機器人。通過結構分析及應力計算，設計出雙體船結構及履帶驅動結構，并從動力輸入、收集裝置、模式轉換等方面著手設計出相應的機械裝置，裝配后進行穩定性分析，其具有結構穩定、功能多樣、移動靈活、通過性好等優點。

1水陸兩棲垃圾清理機器人整體結構及工作原理

1.1 整體結構

水陸兩棲垃圾清理機器人由陸地清掃裝置、垃圾收集裝置、垃圾儲存裝置、水面行進裝置、陸地行走裝置以及浮力裝置組成，按照各自的工作順序及使用功能進行合理裝配。裝置結構如圖1所示。

1.2 工作原理

裝置啟動進入清掃區域進行垃圾收集作業，視覺識別探測攝像頭開始工作，在識別到垃圾后，通過單片機控制單元將信號傳遞給電機，驅動裝置轉向并前進至垃圾處。裝置通過傳送帶撈取并收集水面垃圾，垃圾隨傳送帶運動進入垃圾儲存箱內。視覺識別探測攝像頭及配套系統繼續搜索捕捉其他垃圾并收集。垃圾儲存箱底部安裝有重力傳感器模塊，當裝置艙室內垃圾達到一定重量時，裝置返回至陸上指定地點，舵機工作，完成垃圾的傾倒，完成后可繼續前往水域進行下一輪垃圾收集。裝置在航行過程中，采用GPS模塊進行導航定位，使工作人員可以實時掌握裝置所在位置[4。裝置工作流程圖如圖2所示。

2 主要結構設計

2.1 陸地清掃裝置

陸地清掃裝置主要由滾刷、直流無刷電機以及舵機組成（圖3）。滾刷用于表面垃圾的清掃，舵機用于滾刷的升降，當轉換為陸地作業時，控制舵機使滾刷與地面接觸，直流無刷電機帶動滾刷旋轉，開始陸地清掃作業。當轉換為水面模式時，控制舵機使滾刷抬升。

陸地作業模式下，作業機器人運行方向與水面作業行進方向相反，通過滾刷將垃圾清掃到垃圾收集裝置上，工作時滾刷與傳送帶底部輥軸距離約為 10cm 保證了裝置運行的穩定性以及較高的清潔效率。

2.2 垃圾收集裝置

垃圾收集裝置主要由傳送帶、擋板、滾刷、電機保護罩以及直流無刷電機構成（圖4）。裝置運行時，直流無刷電機帶動傳送帶運轉，同時利用同步皮帶帶動滾刷旋轉，滾刷用于清理傳送帶上粘連的垃圾，當垃圾隨傳送帶運送到滾刷處時，滾刷轉動將垃圾收集到垃圾儲存箱內，完成垃圾收集過程。

傳送帶與滾刷的角速度比為1：1，經實際情況分析得，傳動比低于1：1的情況下，會造成垃圾堵塞；若傳動比高于1：1，則會造成垃圾飛濺，以上均不能完成高效率的清理。

傳送帶與水面（或陸地）形成約 50^° 的夾角，經過多次實際演示，當傳送帶與水面或陸地形成的角度約為 50^° 時，裝置運行較為穩定。

2.3 垃圾儲存裝置

垃圾儲存裝置是由儲存箱、舵機、固定支座以及重力傳感器組成（圖5，將舵機安裝在固定支座上并將固定支座連接在裝置主體上，舵機與垃圾儲存箱連接，垃圾儲存箱內放置重力傳感器，當垃圾重量達到設定閾值時，垃圾儲存箱在舵機的作用下實現垃圾的傾倒。

2.4 陸地行走裝置

陸地行走裝置（圖6采用雙履帶結構[5]，因考慮到裝置從陸地切換成水面工作的過程中，電機的位置過低會存在進水風險，造成電機失效，因此將電機抬高并置于裝置箱體內，再通過同步帶將運動傳遞給履帶輪，從而實現陸地行走。

2.5 水面行進裝置

水面行進裝置是由舵機、浮筒、舵機支架以及擺動鋁管構成（圖7），當傳感器識別到裝置即將下水工作時，控制舵機使兩側浮筒緩慢下降，依靠浮筒浮力使船體漂浮于水面，直到履帶離開水面，同時水下推進器開始工作；當識別到處于陸地時，舵機開始工作，控制舵機使兩側浮筒抬升，使履帶輪接觸陸地，同時履帶輪開始工作。

3 控制系統設計

此項目的電機控制系統負責控制陸地和水面行駛及垃圾清掃裝置的運行。系統選用STM32F103C-8T6作為主控，通過直流無刷電機和舵機實現移動和垃圾處理，配合傳感器模塊，實現高效精確的控制。同時，電源系統由12V鋰電池與穩壓模塊組成，能在驅動電機的同時，達到各部分所需電壓，以確保系統正常運行。系統運動控制框圖如圖8所示。

3.1 陸地控制部分

陸地部分采用履帶式驅動系統，直流無刷電機通過同步帶輪和履帶輪的傳動控制履帶，這種驅動方式可以提供更好的地面適應性和穩定性。通過兩輪之間的差速進行轉向，電機控制系統通過STM32F103C8T6單片機接收來自傳感器的信息，動態調整電機的PWM輸出，從而控制電機的輸出功率，確保機器人在不同地形上行駛的穩定性。通過舵機控制滾刷的升降，在轉換工作模式時，根據超聲波傳感器的反饋信號調節滾刷與地面接觸的角度，保證清掃效果。為了進一步提高控制系統的性能，采用PID控制算法來動態調整電機的PWM輸出，從而控制電機的輸出功率[6]。PID控制器可以根據當前速度與目標速度之間的誤差，動態調整PWM信號的占空比，實現對電機速度的精確控制。陀螺儀傳感器用于檢測機器人的偏航角和姿態，這對于保持機器人轉向時的穩定性至關重要[7]。例如，當機器人在不平坦的地面上移動或在水面上航行時，陀螺儀傳感器能實時提供關于其姿態變化的信息，通過STM32F103C8T6單片機接收來自陀螺儀的信息，控制系統可以實時調整電機的運行狀態，以適應地形變化和保持行駛方向。此外，陀螺儀傳感器還可與加速度計等其他傳感器配合使用，以實現更精確的姿態控制和運動規劃。這種傳感器融合的方法可以提高機器人對環境變化的適應能力，從而提升其在復雜地形中的操作性能和清掃效率。

3.2 水面行駛控制

水上部分則依靠裝置的浮力和由電機控制的水下推進器工作。系統的舵機控制浮筒的升降，當機器人進入水域時，舵機控制浮筒下降，履帶將離開水面，隨后，水下推進器啟動，提供動力使機器人在水面上行駛。

3.3 垃圾處理部分

垃圾處理部分分為垃圾收集和垃圾存儲兩大環節。

垃圾收集環節由傳送帶和滾刷組成，電機用于控制傳送帶和滾刷的運轉。直流無刷電機驅動傳送帶運轉的同時，通過同步帶控制滾刷的旋轉，清理傳送帶上的垃圾。

垃圾儲存環節通過舵機控制垃圾箱的傾倒，單片機接收來自重力傳感器的數據，當垃圾的重量達到設定重量時，系統會觸發舵機運動，完成垃圾傾倒。

4結束語

水陸兩棲垃圾清理機器人的結構研究與控制系統設計，解決了不規則水域和狹窄路面垃圾清理裝置不通用的難題，機器人結合雙體船結構及履帶驅動模式，可以實現在復雜環境下的穩定運行。通過傳送帶和滾刷的結合實現垃圾的收集，并結合傳感器數據完成垃圾的收集與傾倒任務，大大提高了垃圾清潔效率，為水陸垃圾清理提供了全新的解決思路。該機器人將在垃圾清理領域發揮重要作用，為環境保護做出更大的貢獻。

[參考文獻]

[1］王旭東，蘭珂，張娜.“清道夫”：水陸兩棲智能垃圾清理車的研究[J].考試周刊，2017（54）：176.

[2]周亞東，吳旭東，黃文良，等.水上精靈：全自動水域垃圾清理設備[J].科技與創新，2023（22）：37-39.

[3]張振楠，韓博康，馬赫，等.一種水陸兩棲巡航清理運輸車的研制[J].設備管理與維修，2024（8）：42-44.

[4]余胤翔，趙宇洋，黃胤政，等.基于機器視覺的水面垃圾尋航系統[J].電子產品世界，2023，30（7）：18-23.

[5]朱慶卓，王玉勤，左夢強，等.基于路徑規劃技術的沙灘垃圾清理車設計[J].河南科技，2024，51（20）：51-54.

[6]張銘昊，張曉聞，盧雨杰，等.基于STM32設計的自動避障分揀垃圾小車系統[J].山西電子技術，2025（1）：31-34.

[7]馬博經，項小東.基于STM32的電動輪椅戶外監測系統設計[J].電子測試，2020（10）：19-21.

收稿日期：2025-03-03作者簡介：田家煬（2004一），男，河北辛集人，研究方向：結構設計。