“海上鯊魚” 一種基于沿岸海域的垃圾收集裝置

李文翹　郭紅蓮　陳增爽　李樂　牛定超 李虎霖

摘要：“海上鯊魚”垃圾收集裝置是基于雙體船結構進行設計的。一方面，該裝置兩邊夾層結構均采用玻璃鋼復合材料，其相互固定為裝置提供了所需的浮力。通過船體的安裝孔，將收集筐通過軸、齒輪以及電機進行聯接;另一方面，通過自主設計的電機驅動電路、信號采集電路、電源電路系統，將GPS 信號、電池電壓檢測數據采集等數據實時采集?！昂Ｉ硝忯~”的處理器選用MC56F8367，并采用OV6620數字攝像頭作為沿岸海域垃圾信息的數據采集模塊。以上兩部分配合電機的轉動實現收集筐的正反向翻轉和漂浮物的傾倒，從而實現收集漂浮物的功能。本文設計的系統包含了四個方面創新。首先，通過連桿、軸、齒輪與電機相聯接，為收集筐的翻轉提供轉動副和動力，利用超聲波傳感技術實現對垃圾的收集。其次，通過發散檢測和單向檢測的方法對垃圾圖像進行處理。再次，設計制作了GPS 信號、電池電壓檢測電路，對相關數據進行采集。最后，通過構建神經網絡、遺傳算法對沿岸海域路徑進行識別和船體速度進行控制等。

關鍵詞：雙體船結構;垃圾收集裝置;機械;沿岸海域

1.“海上鯊魚”系統概述

隨著沿岸海域的工農業迅猛發展以及濱海旅游業的興起，沿岸海域環境中越來越多的垃圾對環境和生物資源造成不同程度損害，成為海洋環境中主要污染現象之一。沿岸海域的垃圾主要為漂浮垃圾、人類活動產生的海洋垃圾數量驚人，沿岸海域的垃圾對海洋景觀造成了嚴重污染，影響海洋生態系統的健康，還可能威脅航行安全，進而對海洋經濟產生負面效應。如果不采取有效措施，海洋生態環境將無法負荷，人類也將深受其害。部分海洋垃圾長期浸泡后會釋放藥物殘留及化學物質，直接或間接對人類身體健康造成損害。另外，大量海洋垃圾散落在旅游度假區海灘，影響景區美觀，從而影響海洋旅游業的發展。

除了垃圾之外，海洋經濟的發展必然帶動航運業的飛速發展，船舶不斷增加，超大型油輪和更多新型的液化氣船也會越來越多，沿海各種小型船舶種類也數不勝數，會面臨著運營船舶違章排放、維修保養中的殘油和洗艙水的排放、油品駁運泄漏、船舶事故性溢油等污染新的難題。

若不及時進行處理上述情況，勢必影響自然景觀和近岸海域生態環境。針對以上問題，項目組成員從實際出發，基于雙體船結構并結合軟硬件，通過船體類型、收集方式、動力部分結合數據采集模塊、輸出控制模塊、數據上傳模塊沿岸海域垃圾的清理和傳輸的功能，來達到對“海上鯊魚”的智能控制，使之簡單輕便，美觀大方，增大承載容積和載荷能力的同時，降低本身重量，提高使用壽命，減少噪聲，更加人性化、自動化，更加方便人們的使用和適應時代的發展，對營造綠色的生存環境有著重要的意義與積極的作用。

2.系統機械部分設計

2.1“海上鯊魚”結構方案擬定

“海上鯊魚”根據鯊魚的外形仿制而來，為了保證其在沿岸海域的平衡性、穩定性，雙體船工作更加可靠，運行穩定，同時收集裝置更易于安裝。故船體結構采用雙體船的結構，將垃圾收集裝置安裝在雙體船兩片體之間，收集艙置于雙體船兩片體中?！昂Ｉ硝忯~”船體以及兩邊夾層結構均采用玻璃鋼復合材料，其可以減少部件、連接件和緊固件的數量，以及生產步驟。通過降低重心，可以顯著減輕質量，提高穩定性。玻璃纖維增強塑料夾層結構一般是由高強度的上下面板和輕質芯材組成的一組結構材料

“海上鯊魚”船體夾層結構，主要承受橫向載荷，即要求夾層結構的面板有足夠的抗彎剛度與彎曲強度，芯層有足夠的橫向抗剪能力。面板采用玻璃鋼，芯層部分采用蜂窩結構、泡沫、輕木等。夾層結構之所以不同于層合結構，主要在于通過低密度的芯層材料，使上下面板遠離中性面，提高面板抗彎特性，在總質量微小增加的情況下，大幅度提高整體抗彎能力。

2.2收集裝置安裝位置及方式方案

“海上鯊魚”的垃圾收集裝置采用的是中置式收集裝置，將收集筐安裝在“海上鯊魚”船體中間位置，為裝置提供了良好的安裝環境，裝置安裝便捷，拆卸方便，同時雙體船結構也使得收集工作更加穩定。

“海上鯊魚”的收集方式為鏟斗式，采用電機驅動，沿岸海域的漂浮垃圾都可以用該裝置收集，適用范圍廣，也比較適合連續作業。

“海上鯊魚”的動力部分為整個裝置提供能源，選用的動力裝置有蓄電池，蓄電池的優點是低噪音，無污染，不會對水面造成污染，影響水質及水生生物。市面上常有的蓄電池主要分為三類，分別為普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護蓄電池三種。經過比較，選擇免維護蓄電池，由于自身結構上的優勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。

針對“海上鯊魚”船體類型、收集方式、動力部分三個部分的方案擬定，“海上鯊魚”設計經過三維建模裝配，最終設計方案如圖2-4 所示。“海上鯊魚”船體以及兩邊夾層結構均采用玻璃鋼復合材料相互固定，形成穩定的雙體船結構?！昂Ｉ硝忯~”的垃圾收集裝置采用的是中置式收集裝置，將收集筐安裝在“海上鯊魚”船體中間位置，借助船體的安裝孔，收集筐通過軸、齒輪以及電機聯接，安裝于船體中間位置。通過電機的轉動帶動收集筐的正反向翻轉和漂浮物的傾倒，實現收集漂浮物的功能，滿足了拆裝方便與連續作業等設計需求。

采用iTop4412 核心板正好可以滿足“海上鯊魚”控制系統的需求，iTop4412 核心板引出了大多數處理器PIN 腳資源，可以滿足“海上鯊魚”控制系統開發需求。驅動模塊主要是對葉輪，轉動電機的驅動電路設計;主控電路包括串口通信電路設計、USB 接口電路、以太網電路、以及留有對應于核心板的接口，以便核心板連接到主控電路板上。電池電壓在本系統中需要時刻進行監控，當發現電路低于一定值時，以便回收“海上鯊魚”。

2.3系統電源電路設計

整個“海上鯊魚”系統的供電由大容量的鋰電池供電?！昂Ｉ硝忯~”系統穩定可靠的運行需要可靠的電源，iTop4412 核心板使用了三星的電源管理芯片S5M8767A，電源芯片S5M8767 的輸入電壓范圍是 3.5v-5.5v，但是它的最佳輸入電壓是3.7V-4.2V，平均在4V左右，此時電源管理芯片S5M8767A 處于最佳工作狀態，“海上鯊魚”系統中需要為S5M8767A 提供4V 電源電壓供電，同時它能夠提供9 路不同的電壓的DC/DC 輸出、28 路LDO 不同電壓不同驅動能力的電源輸出。此外，“海上鯊魚”系統中舵機需要5V 供電，GPS 模塊需要3.3V 供電，USB 接口需要5V 供電等?！昂Ｉ硝忯~”系統中采用的是大容量鋰電池提供12V 的電壓為系統供電，因此需要設計電源電路為各個模塊供電。

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