基于流體渦旋向心吸力新型的水面清潔機器人的設計

王加浩 解彤 張文蘭 范亞瓊 張亞莉

摘 要：該機器人從現今嚴峻的水面漂浮垃圾污染狀況中獲得啟發，設計用于自動打撈垃圾并收集垃圾。機器人主體結構采用雙船體桁梁架結構，機器人的動力與轉向采用舵槳一體化設計，垃圾打撈部分則是利用升降桿聯動裝置。本設計融入了無線遙感技術、圖像采集和視頻傳輸技術與行程自動導航控制技術。該機器人打撈裝置與目前現存的打撈設備不同，其創新點主要是基于流體渦旋向心吸力原理，該打撈方式增大了船體幅域打撈面積并可以360度無死角打撈，能夠達到節約資源、保護環境、優化資源配置和節能減排的效果。

關鍵詞：舵槳一體化 遠程操控 流體渦旋 節能減排

中圖分類號：TP873 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0095-02

1 研制背景及意義

江河湖海的漂浮垃圾的污染日益嚴重。目前市場上垃圾打撈船大都是大型船舶機械，主要用于大面積大范圍的水面垃圾收集，其結構復雜、體積龐大、價格昂貴而且需要專業人士進行操作，并且不適應于城市內河、旅游景區河流、水庫和一些平靜的狹長水域，目前這些水域的垃圾打撈大多數是采用人工駕駛小船進行人工打撈的形式，這種方式勞動強度大，工作效率低，周期長，不安全，且受環境氣候等的影響較嚴重。

2 機器人主體結構設計

機器人主體結構設計見圖1。

雙體船的衍架結構：機器人主體的設計采用了雙船體結構，有兩個平行而分開的浮體，浮體是普通的上寬下窄船體結構，頂部用一個帶內部設施的連接結構（采用兩個雙片橫向衍架梁）連在一起。連接結構內部裝有船的各種設施，包括電動機、電池以及電路板和控制裝置，中間連有橫向衍架梁，具有很高的抗彎和抗扭剛度。

機器人采用雙船體優點：集合了傳統船體及雙體船的優點，具有平穩性高，相同水域范圍內排水量大，船體轉向靈活等優點，很好地解決了內河因水域狹窄收集帶來的種種收集困難，雙船體總寬度較大，因此具有更大的甲板面積和艙室容積，機器人主體在水面上不容易左右搖晃，穩定性好。將單一船體分成兩個，可以使船體更瘦長，減小阻力與行駛時產生的波浪，機動性能好。

2.1 動力裝置

水面運動采用雙螺旋槳來驅動，不需要轉向舵，依靠每個螺旋槳的轉換角度進行轉向。此設計即為舵槳一體化設計。雙螺旋槳使機器人水上運動的速度與動力更強，機動性能更好，舵槳一體化節約設計的成本。

2.2 打撈裝置

打撈裝置主要由垃圾收集桶、過濾網狀傳送帶、傳送帶步進電機、潛水泵、電動推桿垃圾儲存倉等六部分組成。

3 打撈原理

其主要創新點在于對水面懸浮物的自動匯聚，主要是基于流體渦旋向心吸力原理：根據渦速度矩守恒原理，渦旋的旋轉圓周速度與渦流半徑成反比，即靠近渦流中心半徑越小的位置，流體的流動速率越大，根據伯努利方程，其相對壓強就越小，這樣就沿渦旋徑向上就產生了壓差，在與大氣接觸的環境下，表現為下凹的二次曲線型式的自由曲面。下吸旋渦產生的向心吸力，使得流體攜帶渦旋區域水面懸浮物螺旋向心向下流動，從而實現對機器人附近一定水域內的水面垃圾進行360度無死角打撈。

在垃圾桶底下安裝潛水泵，通過抽水泵將收集到的暫時儲存到桶里水排放到河海中，在打撈裝置內部通過過濾網傳送帶實現垃圾與水的分離和垃圾從打撈桶到垃圾倉的輸送，打撈桶底部的潛水泵將實現對水的不斷循環，不斷地提供渦旋向心吸力，實現垃圾打撈的連續過程。

4 機器人能源供給

機器人采用光能+蓄電池的供能模式。動力來源于大容量電池、太陽能發電混合電源系統，解決了一般性水面機器人長時間持續巡航的動力問題。

5 超級電容與太陽能電池板的協調工作

光伏電池陣列作為系統的電源，具有較軟的外特性，容易受到環境溫度、日照強度、負載工況等因素的影響。因此系統在光伏電池與直流母線間加入單DC/DC環節，對光伏電池的輸出電能進行控制，實現光伏電池的最大功率跟蹤。

超級電容通過雙向DC/DC與直流母線相連，對負載進行供電。通過對雙向DC/DC的控制，超級電容可以吸收富余的光伏電池輸出電能，釋放負載所需的能量。超級電容在系統中具有如下三大功能。

（1）作為能量存儲裝置，在太陽能供電不足時向負載供電，在太陽能供電富余時吸收、存儲多余的能量。

（2）作為濾波器，對光伏電池輸出的不穩定的電能進行濾波，輸出穩定的電能。

（3）與光伏陣列及單向DC/DC相配合，實現MPPT在太陽能垃圾清理小船電氣系統中，負載的功率變化在某些工況下的變化較大，因此在系統中引入一個并聯電容環節，當負載功率突變時，并聯電容可以及時地支撐負載的穩定運行。

6 流量的閉環控制

根據機器人初步模型尺寸設計，船體長650mm，寬450mm，高320mm；其中船艙設計為長350mm，寬340mm，高200mm；入水口的寬度設計為330mm；初步確定入水口截面高度為（15±5）mm；假設水流向入水口的平均速度為100mm/s。所以確定設計流量、為：

由以上確定的設計流量，利用最小二乘法從數據庫中的數據用MATLAB擬合出水泵性能曲線和管道特性曲線，計算出設計揚程H設。除此之外，考慮到水泵的出水口在船體底部，為了使機器人小船能夠在水面上穩定性更好，盡量選擇揚程較小的水泵，減少水泵的出水對船體的影響。

綜合以上因素，選擇能達到水面垃圾清理機器人的要求的水泵為：ZQB6X8-12型號水泵，額定功率：120W，額定流量：2m3/h，額定揚程：4m。

參考文獻

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