自動化垃圾收集船的設計與應用

甘鴻程 林超宇 黎凡 楊厚林 胡雅琛 郭帥 劉浩 聶寒璐

（1.哈爾濱理工大學 ?黑龍江哈爾濱 ?150080;2.西南石油大學 ?四川南充 ?637000;3.南京林業大學 ?江蘇南京 ?210037;4.江西財經大學 ?江西南昌 ?330013;5.南京郵電大學 ?江蘇南京 ?210023;6.大連理工大學 ?遼寧盤錦 ?124221）

摘 ? 要：為了改善和解決中小型河道、湖泊等環境下的水面漂浮垃圾污染的嚴峻形勢和問題，本文設計了一種基于STM32單片機的自動化垃圾收集船。該垃圾收集船由雙體船船體，回槳齒輪箱，動力推進系統，自動化電控平臺，垃圾收集網組成;實現旋轉回槳，減小阻力的同時經圖像處理后自動收集漂浮垃圾;多端口吸水管道增加排量的同時并吸附物體，物聯網接入，多端通信可控等功能。本垃圾收集船改善并提高了中小型河道，湖泊等環境下的水面垃圾收集人工步驟繁瑣安全性差和收集效率的問題。

關鍵詞：河道 ?固體懸浮垃圾 ?垃圾收集船 ?自動化 ?自動化收集

中圖分類號：U6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0070-02

Abstract： In order to improve and solve the tough situation and serious problems of floating garbage pollution on the surface of small and medium-sized rivers and lakes. This paper designs an automated garbage collection boat based on STM32 single-chip microcomputer technology. ?The garbage collection boat is composed of a catamaran hull， a gear box casing， a power propulsion system， an automatic electronic control platform， and a garbage collection net; it realizes rotating paddle back， reducing drag meanwhile automatically collecting floating garbage after image processing; the multi-port suction pipe increases the displacement while adsorbing objects. It also has the functions of the Internet of Things and the controllable multi-terminal communication. The garbage collection boat solves the problems of poor safety and poor efficiency of manual garbage collection on the surface of small and medium-sized rivers， lakes and other environments.

Key Words： River course; Solid suspended refuse; Refuse collection boat; Automation; Automatic collection

1 ?河道污染現狀分析

水是生命之源，河流是地球生態的脈絡，隨著現代化經濟和城市建設的高速發展，無論是國內還是國外，生態環境與垃圾污染都是處在魚與熊掌難以兼得的尷尬位置，目前江河湖泊污染情況日益嚴重，目前最主要污染源還是以固體垃圾為主，固體垃圾的水面漂浮不僅僅影響城市形象，還會影響水道植物光合作用，水體生物甚至會以固體垃圾為食影響生物種群數目，垃圾沉底與不完全降解產生底泥污染等[2]，河流環境污染的現狀與危害實在令人痛心疾首。

而對于河流固體垃圾而言，其主要以水面懸浮形式存在，且以塑料懸浮垃圾為主。究其源頭，實則來源于生活垃圾，例如城市鄉鎮中的河道，基本位于居民區附近，而一些生活在郊區的人喜歡把生活垃圾直接堆放在河堤上，一旦遇到下雨天氣，這些垃圾就會被沖到河流里，隨著河流處處漂泊，影響生態環境。長期以往，河道中的垃圾越來越多，影響惡劣。最明顯的例子是2009年9月10日，“斯克里普斯環境塑料積聚遠征”在加利福尼亞州與夏威夷間海域之間發現了著名的“東太平洋垃圾島”，該島主要由生活垃圾構成，其中80%主要來自陸地的廢棄塑料制品，重達350萬噸[1]。

2 ?目前河道固體漂浮垃圾的解決方案及創新改進提出

目前大部分的城市解決河道固體懸浮垃圾的方法主要為人工打撈，一般以長桿撈網、長柄垃圾鉗等簡單收集工具為主，效率低下，且不時河道周邊淤泥縱深，灌叢交錯，垃圾收集過程如履薄冰，危險度較高且難以收集，不僅人工維護成本較高，而且效率確實低下。

雖然現階段國內外對于河道垃圾污染已經出現了部分機械化垃圾收集作業設備，但基本體型龐大，適用水域條件有所限制，不太適用于中小型城市河道與湖泊，但售價及維護成本高昂，故清理工作難以長期持續有效進行。

針對以上問題，本文設計提出一種改進垃圾船船體——新型自動化垃圾垃圾船，會極大地提高中小型水面流域的水面固體垃圾打撈收集的工作效率，節約人工維護成本，進而更好地解決了水體固體垃圾污染給我們環境與生活帶來的困擾與問題。

3 ?船體方案設計與工作原理

本實驗項目根據將要實現新型水面垃圾船的功能，包含攝像識別模塊與檢測模塊等眾多子模塊。首先通過攝像頭采集水面信息后把畫面通過WIFI發送到電腦，通過算法進行特征提取后與圖庫中圖片對比判斷其是否是垃圾;然后通過超聲波所測距離，比較拍攝圖片中的物體移動速度與水流速度從而判斷其是否為漂流物體。若兩者均滿足要求，電腦判定為垃圾，通過WIFI發送收集指令與STM32主控芯片，首先輸出兩路PWM（pulse width modulation）方波并依據差速控制原理控制兩個主電機運作，使垃圾船移動到垃圾附近;然后再輸出兩路PWM控制負責兩個收集船槳的副電機，使船槳運作聚攏近點垃圾;最后通過將塑料瓶等垃圾聚攏于雙體船船體的中間所成水道位置，此時吸水口產生的吸力會將塑料瓶送入垃圾收集船的中間水道后進入收集箱。在垃圾船運行期間，檢測模塊將間歇性檢測船體所在區域的相關信息，這些信息包括是否降雨、電量剩余值、水質的pH值、水體流速、水體渾濁度、水體溫度與空氣PM2.5值，主控芯片定時通過WIFI發送與電腦并及時更新顯示在屏幕上。

4 ?船體機械結構設計

自動化垃圾收集船采用雙體船結構，通過船槳回漿以及吸水口產生吸力同時船體運動收集水面固體懸浮垃圾。主要由雙體船船體（1），吸水口（2），垃圾回收網（3），噴水口（4），推進器（5），紗網船槳（6），回漿齒輪箱（7），電控平臺（8）組成。結構簡圖如圖1所示。船體由雙體船結構組成左右結構對稱，船體的中前部位凹槽內設有回漿齒輪箱;船體內側面上設有吸水口，能夠為船體補充動能的同時，對垃圾產生吸力;船體的左右兩船體部分通過連接橋連接;船體的尾端底部安裝有推進器;船體的末端安裝有垃圾回收網;船體最上端的電控平臺會工作時會搭設攝像識別模塊，部分傳感器和電控以及通信模塊。

5 ?船體主要硬件模塊設計

5.1 主控模塊

本實驗項目選取STM32F103ZET6作為主控制的芯片。STM32F103ZET6芯片擁有144個引腳，其中包含112個的I/O口，擁有512K的FLASH、64K的SRAM、32位高性能ARM Cortex-M3處理器。而且該芯片定時器多達11個，通信接口多達13個。這些配置目前已達到本次設計的要求。

5.2 攝像識別模塊

圖像數據來自于PTC01系列攝像頭，是一款紅外照射且能自動變焦的工業級相機。該攝像頭在圖像尺寸設置為640×480時， 其圖像數據為25 KB左右， 圖像數據完整地保留在攝像頭數據緩存器里。通過WIFI無線圖像傳輸模塊發送于電腦端后可以一次完整地讀取整幅圖像數據。

5.3 檢測模塊

依據設計要求并綜合個方面要素，本檢測模塊包括懸浮顆粒污水渾濁度水質檢測、水體溫度、光照強度、pH值檢測傳感器、粉塵PM2.5顆粒物檢測、電池電量監測和雨滴感應監測等模塊。這些模塊檢測到的信息會定時發送給電腦端，基于動態掃描法完成實時顯示的功能。在此期間，慣性測量單元IMU也能夠感知船體在水中的姿態，并將數據發送給控制器。控制器根據指令以及MPU6050檢測的數據通過算法運算后，根據船體在水體中的狀態從而調整相應電機轉速，完成自我調整[4]，進而控制船體穩定[3]。

6 ?軟件分析及設計

軟件控制是整個船體實現高度自動化的核心，為實現各種功能做好相應準備。而本設計系統軟件采用了模塊化結構， 由主程序、電機驅動子程序、中斷子程序、顯示子程序、調速子程序和接收指令子程序等構成。主控制板上電后首先實現各個模塊初始化，然后實現對傳感器的信號采集與相關電機的控制。

7 ?結語

我們團隊主要針對河道垃圾污染嚴重且小型流域基本不具備垃圾收集船運行條件這一些現象，并從已知資料了解到現有的垃圾收集船幾乎沒有實現高度自動化，故根據現有技術研發出新型的垃圾回收船。并運用了三維軟件Pro/Engineer將此船體模型制作出來，運用了模擬試驗方法確定其可行性后將其打印出來。經過不斷測試后發現測試的數據令人十分滿意，一定程度上提高了收集效率，對我國水體固體污染凈化有十分顯著的效果。我們特別希望越來越多的人了解這個船體，越來越多的人去保護我們的環境，讓垃圾船永無用武之地！

參考資料

[1] 孝文探訪太平洋巨型塑料垃圾漩渦[OL].人民網，2009.

[2] 于玉彬，黃勇.城市河流黑臭原因及機理的研究進展[J].環境科技，2010，23（2）：111-114.

[3] 陳新泉.四旋翼無人機飛控系統設計與研究[D].南昌航空大學，2014.

[4] 李臣龍，強俊.基于STM32和MPU6050姿態解算的研究與實現[J].佳木斯大學學報：自然科學版，2017，35（2）：295-298，316.