小水域智能清潔船的設(shè)計(jì)隋環(huán)斌曾實(shí)現(xiàn)

曹傳劍

摘要：系統(tǒng)通過方案設(shè)計(jì)、分析、測試設(shè)計(jì)而成，由自動(dòng)追光系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、影像傳輸系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。該設(shè)計(jì)科學(xué)高效的綜合利用混合能源，采用自動(dòng)追光系統(tǒng)，主要是由光敏電阻來實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)信息的采集，數(shù)據(jù)通過芯片進(jìn)行比較處理。后根據(jù)時(shí)間與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)時(shí)太陽的高度角和水平轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，控制太陽能電池板對(duì)準(zhǔn)太陽。從而最大限度的利用太陽光。GPS定位系統(tǒng)與影像傳輸相結(jié)合實(shí)現(xiàn)水域內(nèi)船體和垃圾的準(zhǔn)確定位，以及在與傳感器的人機(jī)交互中避免船體在通過較復(fù)雜環(huán)境下產(chǎn)生碰撞。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，把由攔截系統(tǒng)所集中的垃圾通過抓盤在傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)下將垃圾回收至垃圾箱。船體采用雙船體結(jié)構(gòu)既方便太陽能板的安裝又能夠使船體在行進(jìn)和作業(yè)過程中保持穩(wěn)定運(yùn)行。我們?cè)O(shè)計(jì)的作品在安裝、使用方便，適合用戶自購、自管、自用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)追光系統(tǒng);GPS定位系統(tǒng);人機(jī)交互;攔截系統(tǒng)

1.總體方案設(shè)計(jì)

通過方案設(shè)計(jì)、分析、測試設(shè)計(jì)而成，由太陽能自動(dòng)追光系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、影像傳輸系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。如圖1所示。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1船體設(shè)計(jì)

整體采用雙船體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以放置太陽能電池板，安裝螺旋槳、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)和回收垃圾裝置主要位于中間的船體。這樣的設(shè)計(jì)不僅外觀漂亮，而且結(jié)構(gòu)合理，有利于船的平衡。

2.2太陽能自動(dòng)追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在考慮單一方向一組太陽能綜合利用率較低的情況下，采用了兩組太陽能板結(jié)合鋰電池一起為整個(gè)系統(tǒng)供電。為實(shí)現(xiàn)太陽能能源的高效利用采用自動(dòng)追光系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用一種時(shí)時(shí)控制模式，該模式的控制部分主要是由光敏電阻來實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)信息的采集，采集的數(shù)據(jù)傳給ARM芯片進(jìn)行比較處理。4個(gè)光敏電阻被安排在四個(gè)象限中，中間用擋板擋住。

2.3攔截機(jī)構(gòu)、抓盤、回收箱的設(shè)計(jì)

在雙船體中間位置外加半弧形的攔截機(jī)構(gòu)，這樣可以使得垃圾在較大區(qū)域內(nèi)集中向抓盤所在位置移動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)垃圾通過傳送帶傳動(dòng)進(jìn)入回收箱。這樣實(shí)現(xiàn)垃圾最大效率的撈取和回收。

3.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1傳感器系統(tǒng)

船只的兩側(cè)分別裝有兩個(gè)光電傳感器主要是為了避免在作業(yè)過程中產(chǎn)生碰撞，防止對(duì)船體自身造成損害。也讓其在較寬闊的水域進(jìn)行探測障礙物，可以自己智能改變方向和速度，避免碰撞，可以實(shí)現(xiàn)無人操作自動(dòng)作業(yè)[1]。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)

雙船體推力是采用雙螺旋槳推動(dòng)，獨(dú)立電機(jī)，分別位于兩個(gè)船體的后部，這樣控制就靈活，而且也有足夠的動(dòng)力。

3.3穩(wěn)壓電源模塊

穩(wěn)定的電源對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說至關(guān)重要，關(guān)系到系統(tǒng)能否正常工作，因此在設(shè)計(jì)智能車系統(tǒng)時(shí)為各個(gè)模塊配置了合適、穩(wěn)定的電源并且在電路設(shè)計(jì)上盡量避免不同電源和相同電源不同模塊之間的干擾，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。智能車系統(tǒng)的總的電源供應(yīng)來自7.2V大容量鎳鎘電池，攝像頭以及大多數(shù)芯片均為5V供電，單片機(jī)最小系統(tǒng)需要3.3V低壓。

3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)使用的是BTN7960B芯片作為驅(qū)動(dòng)電路，需要采用2塊BTN7960B半橋驅(qū)動(dòng)芯片組成一個(gè)全橋電路。BTN7960應(yīng)用非常簡單，只需要向芯片第2引腳輸入PWM波就能控制[2]。當(dāng)系統(tǒng)中只需要單向控制時(shí)，只需要讓電機(jī)一端接地，另一端接BTN7960第4引腳。如果需要電機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)控制，則需要另一片BTN7960共同組成全橋。系統(tǒng)利用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)通過隔離芯片74HC244來控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7960，通過改變PWM波的占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，加上PID法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用C語言編寫而成，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵腫3]，設(shè)計(jì)了單片機(jī)初始化模塊、速度控制模塊、方向控制模塊、串口發(fā)送模塊、液晶顯示等模塊。整體設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖2所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國礦業(yè)大學(xué)：基于機(jī)器視覺的太陽能小型水域智能清潔船[J].中國電力教育，2017（08）：66-67.

[2]廖志青，范汝健，莊宇業(yè)，等.遠(yuǎn)程操控水面漂浮物清潔船的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)， 2016（12）：142-143.

[3]范汝健，莫澤生，莊宇業(yè)，等.基于51單片機(jī)的遠(yuǎn)程操控清潔船設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù)，2017（5）：298-299.

作者簡介：

隋環(huán)斌（1997-），男，漢族，山東臨沂人，學(xué)生，機(jī)械工程專業(yè)。