一種水面清潔機(jī)器人及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙陽　趙飛　李依帆　王晨　陳津翟

摘 要：近年來，水面垃圾清理一直是一個(gè)熱點(diǎn)?，F(xiàn)有人工清理方式不僅效率低，而且存在一定的危險(xiǎn)性。鑒于此情況，設(shè)計(jì)一款水上垃圾清理機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的高效收集是有必要的。該機(jī)器人可在水中自由移動(dòng)收集水面垃圾，其工作所消耗的電能由其太陽能與常規(guī)電池結(jié)合提供。搭載的視覺系統(tǒng)可采集水面環(huán)境信息。該機(jī)器人具有自主巡航和手動(dòng)操作兩種模式，可在大面積水域內(nèi)作業(yè)，完成垃圾的多點(diǎn)精準(zhǔn)收集，保證高效率與精確性。

關(guān)鍵詞：水面清潔;機(jī)器人;自主巡航;太陽能

一、設(shè)計(jì)目的

該設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理工作的機(jī)械化與自動(dòng)化，研制出一種具有環(huán)保、高效、節(jié)能特點(diǎn)的水面垃圾清理機(jī)器人，該機(jī)器人可對(duì)水面漂浮物等垃圾的集攏收集、提升和儲(chǔ)運(yùn)等，對(duì)營(yíng)造綠色的生態(tài)環(huán)境有著重要的意義。通過使用機(jī)器人清理水面垃圾的方式，解決了人工清理效率低、成本高、效果差等諸多問題。

二、硬件系統(tǒng)介紹

該機(jī)器人硬件系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、供能裝置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、圖像采集裝置、浮力裝置、垃圾收集裝置、排水裝置構(gòu)成，具體見圖1。

（1）控制裝置為機(jī)器人的功能控制核心，采用stm32f427芯片控制器作為主控，控制側(cè)身螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)來使機(jī)器人在前后左右方向移動(dòng)。此外，機(jī)器人在水中工作時(shí)可切換為手動(dòng)控制，也可自動(dòng)控制。手動(dòng)控制用于水面工作面積較小的環(huán)境，操作者通過遙控器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。自動(dòng)控制時(shí)，該控制器外拓了GPS模塊，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)該機(jī)器人在水中的速度、位置、航向等狀態(tài)。同時(shí)有開發(fā)的手機(jī)app可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。

（2）供能裝置則采用太陽能與常規(guī)電池相結(jié)合的方式由一組蓄電池和多組太陽能電池板構(gòu)成，太陽能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，工作時(shí)蓄電池直接供能，供能穩(wěn)定，節(jié)約能源。

（3）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩組電機(jī)及水泵構(gòu)成，一組電機(jī)安裝在收集桶外壁上，帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)整個(gè)裝置進(jìn)行移動(dòng)，另一組位于裝置上部控制桶內(nèi)水流產(chǎn)生旋渦，水泵則用來抽出桶內(nèi)的水，使形成液面差，外部垃圾得以隨水流進(jìn)入收集裝置。

（4）圖像采集裝置利用廣角攝像頭采集水面環(huán)境信息以確定垃圾位置，內(nèi)置控制系統(tǒng)可控制機(jī)器人定點(diǎn)執(zhí)行垃圾收集功能。同時(shí)機(jī)器人還可遠(yuǎn)程傳輸圖像信號(hào)給操作者，操作者可通過手機(jī)APP 檢測(cè)水面環(huán)境，做出相應(yīng)指示。

（5）浮力裝置由三個(gè)浮箱及一系列機(jī)械連接裝置構(gòu)成，在工作狀態(tài)下，可通過控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)調(diào)整浮箱的高度狀態(tài)來控制整個(gè)裝置的上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)收集裝置來避免垃圾外泄。

（6）收集裝置位于整個(gè)機(jī)器人的最下部，整體呈子彈頭狀，內(nèi)有漸變螺紋，通過桶內(nèi)螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，抽水泵抽出桶內(nèi)液體形成液面差，進(jìn)而在桶內(nèi)形成漩渦，使垃圾垃圾順著螺紋向下到達(dá)收集裝置底部。在收集裝置底部安裝有一層網(wǎng)，防止垃圾進(jìn)入吸水管阻塞水泵。

（7）排水裝置由抽水管、抽水泵、排水管組成了裝置的水循環(huán)系統(tǒng)，垃圾隨水流一起進(jìn)入垃圾收集裝置，排水裝置啟動(dòng)將桶內(nèi)的水利用抽水泵排出，使得垃圾留在桶內(nèi)，避免垃圾外泄。

三、基本思路

將該機(jī)器人放入指定水域，廣角攝像頭可通過位于鏡頭上方的鏡面圓錐反射采集到水面鏡像信息，確定垃圾所在位置，控制系統(tǒng)控制機(jī)器人到達(dá)垃圾所在區(qū)，進(jìn)入垃圾收集模式，抽水泵啟動(dòng)，水流通過空心管由上部排水管排出，使此區(qū)域垃圾隨水流流入垃圾桶內(nèi)。桶內(nèi)大螺旋葉片旋轉(zhuǎn)形成漩渦，使垃圾隨水流進(jìn)入桶底，桶壁設(shè)有螺旋槽可防止垃圾外泄，水泵持續(xù)工作，內(nèi)部回路通過上部管道將水排出，垃圾留在桶內(nèi)。當(dāng)此區(qū)域垃圾收集任務(wù)完成后，可控制機(jī)器人提升垃圾收集桶，排出桶內(nèi)的水并自動(dòng)到達(dá)下一指定水域工作。當(dāng)垃圾收集任務(wù)完成后，可遠(yuǎn)程遙控器控制返航或一鍵自主返航至指定位置。由工作人員拆卸掉機(jī)器人的垃圾收集桶。

四、創(chuàng)新特色

水面垃圾清理工作機(jī)械化、自動(dòng)化是一種必然趨勢(shì)。該水面清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考了飛行器控制原理，可使用手機(jī)APP或遙控器操控，具有自主巡航功能。圖像采集裝置采用廣角攝像頭配合上方的圓錐形反光裝置采集到水面垃圾位置信息，然后控制機(jī)器人前往收集。動(dòng)力裝置由太陽能板與常規(guī)電池結(jié)合可有效的延長(zhǎng)機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間。相信我們的此款水面清潔機(jī)器人可以為我國(guó)的生態(tài)事業(yè)建設(shè)做出更多貢獻(xiàn)。

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