基于APM2.8系統的水面漂浮物三體垃圾清理船

趙志敏　李保菊　劉先淼

【摘 要】“先污染后治理，邊治理邊污染”的發展方式使得我們國家的環境問題并不樂觀，其中水面污染的清理問題一直難以解決。為此我們利用APM2.8開源控制模塊設計了一條能自主清理水面垃圾的新型三體垃圾清理船，在此基礎上還加入了圖像傳輸系統和2.4G手動遙控系統，以便應對突發情況。

【關鍵詞】水面垃圾清理；三體船；智能化；高效；控制

中圖分類號： TP273；X52 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.039

0 前言

隨著我國經濟的快速發展，過去未被重視的一種水域環境污染——水面垃圾污染也是越來越嚴重。迅速的城市化和工業化進程、旅游業的發展、民眾環保意識的淡薄等因素導致了這些廢棄物的產生，使得江河、湖泊和港口，甚至近海的水面飄浮垃圾的污染日益嚴重，尤其是水流經城鎮生活區域的河流段，其污染治理及控制亟待加強。

經過調查研究，我們發現現在的水面垃圾為人工打撈和人工駕駛清理船清理兩種，不僅效率低下，還有一定的危險性。在智能化飛速發展的今天，我們完全可以設計一條智能化的船只，規劃運行路線，使其具備自動巡航功能，并重新設計外形來提高效率。

1 系統總體設計方案

隨著英國首先提出三體船的概念，這種船型在正不斷地被證明它所具有的優勢，現在已經被應用到軍事之中，與單體船相比，三體設計具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的適航穩定性和更出色的操縱性，在中高速時較單體船可節省有效功率15%-20%，既然有如此優勢，那我們為什么不可以將它用到民生當中呢？在此啟發下，我們設計了一款智能化的三體垃圾清理船（圖一），兩側副船搭載螺旋槳驅動電機、傳送帶驅動電機和電子調速器。主船與副船連接的甲板各有一個攝像頭，用來實時監控水面狀況，主船搭載APM2.8主控模塊、GPS、5.8G 40ch的無線圖像傳輸模塊、WFR07S 2.4G接收機和多視角視頻切換開關，甲板下為垃圾收集傳送裝置，在傳送帶電機的帶動下，將垃圾傳送至船尾的垃圾收集箱。

2 硬件結構及電路原理

1）APM2.8控制器硬件結構：MCU為愛特梅爾（Atmel）的8bit ATMEGA2560，三軸陀螺儀和三周加速度計型號為MPU6000，空氣壓力傳感器 MS-5611，16MB的 AT45DB161D 存儲器，三軸磁力計型號為HMC5883，支持8路PWM控制輸入及11 路模擬傳感器輸入，GPS模塊 MTK 3329 及支持 ublox輸出的 NEO-6M、7M、LEA-6H，通過I2C接口將羅盤外接。

2）圖像傳輸系統

（1）TS832發射機頻率/頻道數量：32個頻率

輸出功率：600MW

傳輸距離：最小4KM的視線

頻率控制：內置頻率鎖相環

AV輸入：模擬AV信號輸入

ANT接口：SMA（針里面）

電源：DC7-12V

（2）RC832接收頻率： 32個頻率

接收靈敏度：-90dBm

工作頻率控制：內置頻率和相位鎖定回路

雙線AV輸出：模擬的AV信號輸出

天線連接器：SMA（針里面）

電源電壓：DC7-12V

APM2.8控制器軟件結構：APM2.8控制系統作為一款完全開源的模塊，利用Mission Planner軟件，可以進行對APM2.8模塊的固件燒寫、參數調節以及數據傳輸。

在 APM 控制系統中，采用的是兩級PID 控制，第一級是導航級，第二級是控制級。導航級先確定船只的行駛路線，以及所需要的轉彎角度，通過內部算法給出目標需要執行的各個數據，再交給下一級的控制級控制。控制級接收導航級發送的行駛路線數據，并采集船只目前位置信息，通過內部姿態解算，計算出用于實時控制電機運動的 PWM 脈沖信號，調整轉向角度，使船只按照預定的軌跡路徑進行行駛。

有刷電調是將控制器的PWM信號轉化為電流大小，從而控制電機的轉速。

3 設計優勢創新點

這種新型水面漂浮物垃圾清理船與傳統的人工打撈和人工開船打撈相比，智能化程度高，可以在無人為干擾的情況下自動完成對水面漂浮垃圾的巡航清理。操作簡單，不需要具備開船知識，緊急情況通過遙控即可完成相關動作；雙槳推動，轉彎半徑更小，能在小水域進行工作，其次空間大，能耗小，效率高，更為安全都是傳統清理方式無法相比的。

4 結論

隨著信息化社會的飛速發展，小到掃地機器人，大到一條生產線，智能化早已進入各行各業，環境的治理也越來越注重智能化，而水面垃圾的治理仍停留在人工打撈階段。此設計為基于APM2.8系統的水面漂浮物三體垃圾清理船，將水面垃圾清理與智能控制相結合，可以用來代替傳統清理方式從而實現無人化的高效打撈。

【參考文獻】

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