遠程操控水面漂浮物清潔船的設計與應用

廖志青，范汝健，莊宇業，莫澤生，楊國強，徐俊成

（華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800）

遠程操控水面漂浮物清潔船的設計與應用

廖志青，范汝健，莊宇業，莫澤生，楊國強，徐俊成

（華南理工大學廣州學院，廣東廣州510800）

主要針對水葫蘆和水面漂浮的垃圾的清理，設計了遠程操控水面漂浮物清潔船。設計了其動力系統、傳動系統、執行系統、調節系統、收集系統，通過結構實體檢測研究，有效解決了結構干涉和運輸效率問題，達到清潔水面漂浮物的目的?？刂撇糠职ㄖ绷麟姍C驅動模塊、無線遙控模塊，通過實際調試，實現智能化與遠距離操控。與普通清潔船操作相比，該船將打撈、聚攏、收割、輸送、收集、卸載于一體，全程自動化，無需人工，節能環保，更加簡便。

水面漂浮物；清潔船；遠程操控

據監測了解，一株水浮蓮正在以每8個月繁殖6萬新株的速度泛濫成災。相關部門就此號召清剿水浮蓮，但是手段比較落后，主要是人工打撈、碾碎或曬干埋掉，清除速度遠遠滯后于水浮蓮狂長速度[1]。為此，自主設計了一艘遠程遙控清潔船，根據軟件設計購買材料，加工，組裝實現各個模塊的功能，最后實現迅捷、大規模清理水浮蓮的目的[2]。

1設計原理

如圖1所示，清潔船有5個機械系統構成，包括動力系統、傳動系統、執行系統、調節系統、收集系統[3]。傳送帶能準確地將水面漂浮物運輸，配合傳送工作，同時有齒皮帶則更好地承載負荷以及進行動力傳輸。螺旋槳中的葉片可以更好地與水接觸發力，使船能迅速的向前推進。當需要急轉彎收集時，可令柔性舵通過轉向完成任務需要，使船更加靈活工作。船頭設置收集調節臂，在水面漂浮物分布零散的區域作業時，可以提升工作效率。收集箱位于船尾，底部裝有滾輪，在靠近岸時，可輕松實現搬運作業。

圖1 設計圖

（1）動力系統：如圖2所示，由蓄電池提供總動力，為每個電機供能。以電動機為船動力，電源位于傳送帶下面，同時裝上變頻器控制動力輸送。

圖2 動力系統

（2）傳動系統：清潔滾輪上的高強度橡膠可在與傳送帶接觸時改變形狀，接著配合傳送工作后，再恢復原來狀態，能將水葫蘆完成承接工作并把它收集，有齒皮帶則更好地承載負荷以及進行動力傳輸。

（3）執行系統：位于傳送帶下面的推桿在無線電接收模塊接收到信號時，開始伸縮運動，帶動船頭的機械擺動收集臂，緊密配合。

（4）調節系統：主要包括機械擺動收集臂、輸送帶等，前艙兩側安裝2個機械收集臂，能使垃圾收集寬度增加，并且自由開合。在水葫蘆分布零散的區域作業時，可以提升工作效率，減少時間的浪費。

（5）收集系統：位于船尾，當靠近岸時，可輕松實現搬運移送水葫蘆的物流作業。

2控制系統設計

控制系統主要由stc89c52單片機、無線電接收模塊、無驅動攝像頭、串口通信模塊、降壓模塊、發射器構成，如圖3所示[4]。由單片機STM32F103控制無線數字傳輸芯片nRF2401，通過無線方式進行數據雙向遠程傳輸，兩端采用半雙工方式通信，該系統具有成本低，功耗低，軟件設計簡單以及通信可靠等優點，依靠無線數字傳輸芯片可實現遠程通信和控制。

圖3 工作原理圖

通過發射器發出船運動的信號，無線電接收模塊接受信號，通過控制系統把信號轉為電信號傳送給電機，電機帶動螺旋槳使船體前進。當把左轉的信號通過發射器發射，無線電接收模塊接受信號，系統轉化為電信號傳輸給減速電機，減速電機轉動，通過傳送帶，使螺旋槳的角度發生變化，從而得到船體轉向。當電信號傳輸給推桿時，推桿接收信號實現伸縮的功能，帶動船頭的伸縮臂。

船體控制部分用型號stc89c52單片機控制，其具有成本低，控制穩定的特點，而且其功能完全可以滿足本作品的控制。

本設計采用的是外接驅動，即L298N大電流驅動，L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，有起輸出電流增大，功率增強等優點。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅動感性負載，如大功率直流電機、步進電機、電磁閥等等，其輸入端可以與單片機直接相連，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制步進電機，并可以實現電機的正轉和反轉（圖4為電機控制模塊）。為了避免電機對單片機的干擾，本模塊加入光耦，進行光電隔離，從而使系統能夠穩定可靠的工作。具體見圖5（總電路圖）。

圖4 電機控制模塊

圖5 總電路圖

3結束語

設計的水面漂浮物清潔船具有體積小，操作方便，工作非常靈活，清潔效率高的特點，一旦形成產業化生產，可有效地根除因漂浮物過多而破壞生態平衡，環境惡化的后患，其產生的經濟效益和社會效益將會有著相當大的意義。

[1]曹志強.一種新型水上清潔機器人的設計與實現[J].青島大學學報，2007，20（2）：80-82

[2]任蕓丹，王翔.多智能體遙控綠色性評價方法的應用研究[J].機械設計與制造，2011（7）：263-265.

[3]鄧啟文.空間機器人遙操作雙邊控制技術研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[4]Fred Halsall.多媒體通信[M].北京：人民郵電出版社，2004.

The Design and App lication of FloatClearance Vesselby Remote Control

LIAO Zhi-qing，FAN Ru-jian，ZHUANG Yu-ye，MO Ze-sheng，YANG Guo-qiang，XU Jun-cheng
（Guangzhou College of South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510800，China）

This articlemainly aims at the cleaning of the water bottle gourd and the floating garbage.The design of the power system，transmission system，execution system，control system，collection system，through the detection of structural entities，effectively solve the interference structure and transport efficiency，to achieve clean floating objects.The control part includes DC motor drive module，wireless remote control module，through the actual debugging，to achieve intelligent and remote control.Compared with the ordinary cleaning ship operation，the ship will gather，fishing，harvesting，transporting and collecting and unloading in one，full automation，without manual，energy saving and environmental protection，more convenient.

inclinable power press；safety；design

U674.2

B

1672-545X（2016）12-0142-02

2016-09-26

廖志青（1983-），男，廣東人，本科，助理工程師，高級技師，主要研究方向為機械工程及自動化技術。