一種結合無人機的新型景區水面漂浮垃圾收集器

魏萍+屈曉歌+孫希艷

摘要：我國經濟水平和城市現代化建設進程迅速發展，人們的物質生活水平不斷提高，旅游行業也得到了飛速發展，隨之而來，景區水面漂浮垃圾問題日益嚴重。本裝置結合無人機和遠程遙控裝置進行設計，最終完成垃圾的捕撈收集工作，這對于解決由于垃圾不及時處理導致的水體質量下降、水體污染和環境破壞具有重要意義。本文通過描述裝置的結構構造，結合無人機遠程遙控技術，對裝置的工作原理進行介紹，根據實際過程、實驗成果和技術改進，組裝出具有實際操作和運行功能的裝置。

關鍵詞：遠程遙控；垃圾收集；經濟方便；

引言：

隨著社會的進步和經濟的發展，國民消費升級、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了旅游行業的快速發展。近年來各地旅游業日趨繁榮，尤其在法定節假日期間，旅游景區內游客數量激增，景區垃圾也不斷增多，很多游客自身素質和行為修養較差，隨手將垃圾丟棄于水中的現象比比皆是。這種行為在給景區的形象造成一定的不良影響的同時也破壞了水質，浪費了水資源，給環境帶來了巨大的壓力。

經過實地考察和走訪，我們了解到傳統的解決方案一般是景區工作人員采用人工打撈等方式，利用打撈網完成打撈工作或者直接下水撿拾垃圾，耗費了大量的人力、物力和財力。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險，尤其是景區深水區處的作業，這對工作人員提出了較高的工作要求，業主單位也會因為工作人員的自身安全問題承擔一定的風險；另一方面，水體具有很大的流動性，時時刻刻都會發生運動，這使得水面垃圾的分布較為分散，垃圾的可移動性也造成人工打撈清理不干凈、耗時長、效率低。因此，為了降低人力物力財力等資源的消耗、提高收集效率，本文提出一種結構簡單、可操作性強、經濟適用的新型景區水面漂浮垃圾清除裝置。

一、裝置的工作原理和結構構造

本裝置的實際大小為：長30cm，寬30cm，高38cm，斜長41.5cm，自身重量為149g。前期，主要從收集垃圾，遠程遙控兩方面對水面垃圾收集器進行設計。具體來講，由無人機、可充電電池、遠程遙控裝置、發動機、垃圾收集裝置等部分組成。可充電電池一共有三塊，最長工作時間為30分鐘。工作原理為：正常工作條件下，電源為飛行器電機提供動力，同時為飛行信號接收器提供電源，飛行器通過電機帶動螺旋槳轉動，使飛行器升空。信號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，旋轉等動作。飛行器下部連接垃圾收集器，通過過濾網對水面垃圾進行搜集過濾，從而達到處理垃圾，清潔水面的效果。

新型水面清潔裝置的具體結構如圖中所示。圖一為正視圖，1部分為上部飛行器，為整個裝置提供動力，同時接受人為命令的控制進行飛行方向的改變，2部分為下部垃圾收集器，主要材質為塑料網兜，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構，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：上部為動力源，由四軸十字型力臂組成無人機外殼，其內部包含可充電電池，信號接收器、發動機。可充電電源為發動機的啟動提供動力，保證景區水面漂浮垃圾清除裝置的長期使用。無人機內部安裝信號接收器，通過遠程遙控系統對無人機的動作發出指令。無人機下部腳架部位懸掛垃圾收集裝置，主要由塑料質網兜組成，位于上部機體的正下方，保證整體裝置的重心穩定，網兜成45°傾斜，便于垃圾收集過程中輕質垃圾的入框，能到更理想的清潔效果。兩者之間用直臂桿和軟鐵絲固定，達到減輕重量，穩固連接的目的。

二、實驗過程及改良

模型以鄭州大學眉湖水域為實驗區，進行裝置的實驗工作。具體的實驗過程如下：

（1）實地考察調研：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，明確裝置的收集對象；

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

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

（4）模型實驗和改良：在實驗區域，對模型進行垃圾收集測試，確定其在構造、連接、飛行等方面存在的問題，并加以改良

在一次次的實驗中，裝置的不合理之處也被展現出來，我們針對具體的問題進行分析判斷，并進行了改良，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生松動，我們用細鐵絲在塑料網兜的手柄處和上部飛行器的落地支架處纏繞加固；網口形狀易于變形，降低垃圾收集效率，我們利用竹竿和鐵絲對網口形狀進行固定；垃圾收集后，下部重量加重，裝置重心偶爾會發生偏移，飛行器會發生晃動、墜落，不能正常完成平移、旋轉等作業，我們將模型上下部分進行重新連接，把塑料網的手柄放置在落地支架重心處，用鐵絲進行斜向、徑向、軸向的多層加固，確保正常飛行。多次改良工作后，通過人為發送指令，操控無人機的運轉狀態，模型已經完全可以實現對水面塑料空瓶、紙盒等輕質漂浮垃圾的捕撈與收集，垃圾收集的最大承重量為60g，達到了實驗的預期目標。

三、裝置的創新點和下一階段的工作方向

本裝置還存在很多可以繼續改良的部分。所以，下一階段，我們將從以下方面入手，繼續對模型進行改良：在滿足經濟性和可靠性的前提下，合理調整模型的大小，提高其能夠產生的最大升力，增加下部收集垃圾的總重量，提高其通用性；對裝置的電池進行改良，增長其有效工作時間；對裝置的外殼進行保護，增加其防水性；在飛行器底部安裝攝像頭，將水面的實際情況實時傳輸至控制中心，系統自動識別垃圾，并反饋給操作系統，完成垃圾的自動收集工作。

本裝置的創新處在于利用無人機與垃圾收集裝置相結合代替人工打撈水面漂浮垃圾，能耗小、節能環保、結構簡單、安全可靠、造價低廉，實現了機器打撈代替人工打撈的傳統方式。特別是對于深水區域和工作人員不易到達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性，機器打撈水面漂浮垃圾目標性更強，極大地提高了工作效率，同時更有助于提升景區形象，降低清潔工作成本。

結語：

隨著我國經濟的近一步發展，國家和各級政府部門對水資源和環境的保護也日益重視。本作品結構合理、操作方便、功耗低，且有針對性，綜合了安全性、效率性、可行性等諸多因素，必然能夠成為景區水面漂浮垃圾清潔的重要工具，對水資源的水質保護和垃圾清理具有重大的現實意義。

參考文獻：

[1]楊佺.小型水域水面漂浮物收集裝置的設計，2016年（5）

[2]陳孟馳.型四旋翼無人直升機飛行控制系統研究與設計，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設計.桂林航天工業學院學報，2015（3）

[4]郭曉鴻.型四旋翼無人機控制系統設計與實現，碩士論文，2012年

作者簡介：

魏萍；1997年5月16日；女；漢族；河南省南陽市人 學生 鄭州大學 專業：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 學生 鄭州大學 專業：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 學生 鄭州大學 專業：水利水電工程。