一種結(jié)合無人機(jī)的新型景區(qū)水面漂浮垃圾收集器

魏萍+屈曉歌+孫希艷

摘要：我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和城市現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程迅速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，旅游行業(yè)也得到了飛速發(fā)展，隨之而來，景區(qū)水面漂浮垃圾問題日益嚴(yán)重。本裝置結(jié)合無人機(jī)和遠(yuǎn)程遙控裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終完成垃圾的捕撈收集工作，這對(duì)于解決由于垃圾不及時(shí)處理導(dǎo)致的水體質(zhì)量下降、水體污染和環(huán)境破壞具有重要意義。本文通過描述裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，結(jié)合無人機(jī)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，對(duì)裝置的工作原理進(jìn)行介紹，根據(jù)實(shí)際過程、實(shí)驗(yàn)成果和技術(shù)改進(jìn)，組裝出具有實(shí)際操作和運(yùn)行功能的裝置。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程遙控；垃圾收集；經(jīng)濟(jì)方便；

引言：

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)民消費(fèi)升級(jí)、人均收入提高，加上政府支持力度的加大和休閑假日制度改革等積極因素推動(dòng)了旅游行業(yè)的快速發(fā)展。近年來各地旅游業(yè)日趨繁榮，尤其在法定節(jié)假日期間，旅游景區(qū)內(nèi)游客數(shù)量激增，景區(qū)垃圾也不斷增多，很多游客自身素質(zhì)和行為修養(yǎng)較差，隨手將垃圾丟棄于水中的現(xiàn)象比比皆是。這種行為在給景區(qū)的形象造成一定的不良影響的同時(shí)也破壞了水質(zhì)，浪費(fèi)了水資源，給環(huán)境帶來了巨大的壓力。

經(jīng)過實(shí)地考察和走訪，我們了解到傳統(tǒng)的解決方案一般是景區(qū)工作人員采用人工打撈等方式，利用打撈網(wǎng)完成打撈工作或者直接下水撿拾垃圾，耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。這種方法存在一定的弊端：一方面，人工捕撈具有一定的工作風(fēng)險(xiǎn)，尤其是景區(qū)深水區(qū)處的作業(yè)，這對(duì)工作人員提出了較高的工作要求，業(yè)主單位也會(huì)因?yàn)楣ぷ魅藛T的自身安全問題承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，水體具有很大的流動(dòng)性，時(shí)時(shí)刻刻都會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這使得水面垃圾的分布較為分散，垃圾的可移動(dòng)性也造成人工打撈清理不干凈、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低。因此，為了降低人力物力財(cái)力等資源的消耗、提高收集效率，本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)適用的新型景區(qū)水面漂浮垃圾清除裝置。

一、裝置的工作原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造

本裝置的實(shí)際大小為：長(zhǎng)30cm，寬30cm，高38cm，斜長(zhǎng)41.5cm，自身重量為149g。前期，主要從收集垃圾，遠(yuǎn)程遙控兩方面對(duì)水面垃圾收集器進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體來講，由無人機(jī)、可充電電池、遠(yuǎn)程遙控裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)、垃圾收集裝置等部分組成。可充電電池一共有三塊，最長(zhǎng)工作時(shí)間為30分鐘。工作原理為：正常工作條件下，電源為飛行器電機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)為飛行信號(hào)接收器提供電源，飛行器通過電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，使飛行器升空。信號(hào)接收器接收人為輸入的指令，控制飛行器完成上升、降落、左右移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。飛行器下部連接垃圾收集器，通過過濾網(wǎng)對(duì)水面垃圾進(jìn)行搜集過濾，從而達(dá)到處理垃圾，清潔水面的效果。

新型水面清潔裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖中所示。圖一為正視圖，1部分為上部飛行器，為整個(gè)裝置提供動(dòng)力，同時(shí)接受人為命令的控制進(jìn)行飛行方向的改變，2部分為下部垃圾收集器，主要材質(zhì)為塑料網(wǎng)兜，起收集垃圾的作用。圖二為俯視圖，主要展示飛行器的上部結(jié)構(gòu)，1、2、3、4部分均為螺旋槳，5部分為飛行器的主干部分。其特征是：上部為動(dòng)力源，由四軸十字型力臂組成無人機(jī)外殼，其內(nèi)部包含可充電電池，信號(hào)接收器、發(fā)動(dòng)機(jī)。可充電電源為發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)提供動(dòng)力，保證景區(qū)水面漂浮垃圾清除裝置的長(zhǎng)期使用。無人機(jī)內(nèi)部安裝信號(hào)接收器，通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的動(dòng)作發(fā)出指令。無人機(jī)下部腳架部位懸掛垃圾收集裝置，主要由塑料質(zhì)網(wǎng)兜組成，位于上部機(jī)體的正下方，保證整體裝置的重心穩(wěn)定，網(wǎng)兜成45°傾斜，便于垃圾收集過程中輕質(zhì)垃圾的入框，能到更理想的清潔效果。兩者之間用直臂桿和軟鐵絲固定，達(dá)到減輕重量，穩(wěn)固連接的目的。

二、實(shí)驗(yàn)過程及改良

模型以鄭州大學(xué)眉湖水域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行裝置的實(shí)驗(yàn)工作。具體的實(shí)驗(yàn)過程如下：

（1）實(shí)地考察調(diào)研：確定水面漂浮垃圾的種類，主要為塑料瓶、紙盒、易拉罐、樹葉等，明確裝置的收集對(duì)象；

（2）模型組裝：將上部無人機(jī)與下部的垃圾收集器連接在一起，確定裝置的外形，塑料網(wǎng)兜的網(wǎng)口大小

（3）裝置的試飛試驗(yàn)：將組裝好的模型進(jìn)行試飛，主要測(cè)試裝置上下連接處的牢固以及飛行器的最長(zhǎng)工作時(shí)間

（4）模型實(shí)驗(yàn)和改良：在實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對(duì)模型進(jìn)行垃圾收集測(cè)試，確定其在構(gòu)造、連接、飛行等方面存在的問題，并加以改良

在一次次的實(shí)驗(yàn)中，裝置的不合理之處也被展現(xiàn)出來，我們針對(duì)具體的問題進(jìn)行分析判斷，并進(jìn)行了改良，提出了具體的解決方案。比如：模型上下部分的連接處容易發(fā)生松動(dòng)，我們用細(xì)鐵絲在塑料網(wǎng)兜的手柄處和上部飛行器的落地支架處纏繞加固；網(wǎng)口形狀易于變形，降低垃圾收集效率，我們利用竹竿和鐵絲對(duì)網(wǎng)口形狀進(jìn)行固定；垃圾收集后，下部重量加重，裝置重心偶爾會(huì)發(fā)生偏移，飛行器會(huì)發(fā)生晃動(dòng)、墜落，不能正常完成平移、旋轉(zhuǎn)等作業(yè)，我們將模型上下部分進(jìn)行重新連接，把塑料網(wǎng)的手柄放置在落地支架重心處，用鐵絲進(jìn)行斜向、徑向、軸向的多層加固，確保正常飛行。多次改良工作后，通過人為發(fā)送指令，操控?zé)o人機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，模型已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水面塑料空瓶、紙盒等輕質(zhì)漂浮垃圾的捕撈與收集，垃圾收集的最大承重量為60g，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

三、裝置的創(chuàng)新點(diǎn)和下一階段的工作方向

本裝置還存在很多可以繼續(xù)改良的部分。所以，下一階段，我們將從以下方面入手，繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行改良：在滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性的前提下，合理調(diào)整模型的大小，提高其能夠產(chǎn)生的最大升力，增加下部收集垃圾的總重量，提高其通用性；對(duì)裝置的電池進(jìn)行改良，增長(zhǎng)其有效工作時(shí)間；對(duì)裝置的外殼進(jìn)行保護(hù)，增加其防水性；在飛行器底部安裝攝像頭，將水面的實(shí)際情況實(shí)時(shí)傳輸至控制中心，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別垃圾，并反饋給操作系統(tǒng)，完成垃圾的自動(dòng)收集工作。

本裝置的創(chuàng)新處在于利用無人機(jī)與垃圾收集裝置相結(jié)合代替人工打撈水面漂浮垃圾，能耗小、節(jié)能環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、造價(jià)低廉，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器打撈代替人工打撈的傳統(tǒng)方式。特別是對(duì)于深水區(qū)域和工作人員不易到達(dá)的水域的垃圾收集工作，漂浮垃圾分布較為分散，且具有一定的可移動(dòng)性，機(jī)器打撈水面漂浮垃圾目標(biāo)性更強(qiáng)，極大地提高了工作效率，同時(shí)更有助于提升景區(qū)形象，降低清潔工作成本。

結(jié)語(yǔ)：

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的近一步發(fā)展，國(guó)家和各級(jí)政府部門對(duì)水資源和環(huán)境的保護(hù)也日益重視。本作品結(jié)構(gòu)合理、操作方便、功耗低，且有針對(duì)性，綜合了安全性、效率性、可行性等諸多因素，必然能夠成為景區(qū)水面漂浮垃圾清潔的重要工具，對(duì)水資源的水質(zhì)保護(hù)和垃圾清理具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳孟馳.型四旋翼無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，碩士論文，2012年

[3]徐清柳，王勇軍，旋翼飛行器的工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（3）

[4]郭曉鴻.型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，碩士論文，2012年

作者簡(jiǎn)介：

魏萍；1997年5月16日；女；漢族；河南省南陽(yáng)市人 學(xué)生 鄭州大學(xué) 專業(yè)：水利水電工程；

屈曉歌；1996年8月23日；女；漢族；湖北省宜昌市人 學(xué)生 鄭州大學(xué) 專業(yè)：水利水電工程；

孫希艷；1996年10月18日；女；漢族；四川省西昌市人 學(xué)生 鄭州大學(xué) 專業(yè)：水利水電工程。