基于單片機(jī)的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王穩(wěn)， 張建偉， 馬燕飛， 張雷， 林金陽(yáng)， 路萬(wàn)鵬

（浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山316022）

關(guān)鍵字：泥質(zhì)海岸；清理船；智能化；單片機(jī)

0 引 言

我國(guó)淤泥質(zhì)海岸灘涂總面積超過(guò)217 萬(wàn)公頃，其主要位于遼寧、山東、臺(tái)灣、海南及江浙一帶等海濱地帶。此區(qū)域內(nèi)適合養(yǎng)殖和旅游等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但由于垃圾的污染問(wèn)題，使得目前大面積的淤泥海岸無(wú)法得到有效利用。在浙江省內(nèi)，如舟山、寧波等旅游城市，海岸垃圾更是成為影響市容市貌的原因之一；此外，浙江省內(nèi)海漂垃圾污染情況最嚴(yán)重的地區(qū)為寧波象山縣石浦皇城，2015年該地區(qū)每平方公里岸灘上分布有329 000余個(gè)垃圾。另外，海岸垃圾由于潮汐作用會(huì)進(jìn)入海洋，而海洋垃圾污染問(wèn)題正成為各國(guó)政府廣泛關(guān)注的環(huán)保問(wèn)題之一，海洋垃圾不僅對(duì)海洋生態(tài)造成了破壞，而且白色垃圾所產(chǎn)生的有害物質(zhì)，如塑料顆粒已經(jīng)在各類海洋動(dòng)物體內(nèi)被檢測(cè)出來(lái)，這已危及人類自身。因此，目前解決海岸垃圾污染問(wèn)題是必要的，這不僅僅是為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，更是為人類的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本文主要根據(jù)現(xiàn)有淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制部分進(jìn)行探究[1-2]，提出了基于單片機(jī)的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以完善裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)清理船工作的智能化。

1 淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船

2016-2018年《中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出：我國(guó)海灘垃圾平均個(gè)數(shù)在2017年有明顯降低，2018年又略有升高，海灘垃圾平均密度逐年降低，但塑料類垃圾占比逐年升高，由此可以看出，目前我國(guó)針對(duì)海岸垃圾處理的效果并不顯著[3-5]。海岸垃圾隨潮汐進(jìn)入海洋，又會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞，污染極大。

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是在淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，船體結(jié)構(gòu)如圖1所示。清理船由船頭、船尾、船身組成，其中垃圾收集機(jī)構(gòu)由耙釘型傳送帶和垃圾掃板組成；垃圾輸送機(jī)構(gòu)由輸送傳送帶實(shí)現(xiàn)；垃圾淤泥分離機(jī)構(gòu)由攪拌桿、儲(chǔ)水艙、噴頭和輸送泵組成；垃圾取出機(jī)構(gòu)由垃圾儲(chǔ)存框、螺桿和限位板組成，以上4種機(jī)構(gòu)構(gòu)成了淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船的主體結(jié)構(gòu)[1-2]。

表1 2016-2018年中國(guó)海灘垃圾污染狀況

2 設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能巡航模式、自主巡航模式、遙控模式、自動(dòng)返航。智能巡航模式適用于作業(yè)區(qū)域內(nèi)垃圾分布零散、數(shù)量少的情況，通過(guò)垃圾定位系統(tǒng)，待清理船運(yùn)動(dòng)至垃圾前方時(shí)啟動(dòng)垃圾收集機(jī)構(gòu)及垃圾淤泥分離機(jī)構(gòu)，清理完畢后停止機(jī)構(gòu)運(yùn)行，以降低能耗，提高清理船續(xù)航能力。自主巡航模式適用于作業(yè)區(qū)域內(nèi)垃圾分布密集、數(shù)量多的情況，垃圾收集及垃圾淤泥分離機(jī)構(gòu)持續(xù)運(yùn)行，在清理船巡航的過(guò)程中將沿途垃圾進(jìn)行清理，有效提高清理船的垃圾清理效率。遙控模式適用于清理船自動(dòng)控制失效的情況，在清理船出現(xiàn)系統(tǒng)故障，或裝置本身發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)遙控模式實(shí)現(xiàn)清理船的手動(dòng)返航。自動(dòng)返航工功能，根據(jù)垃圾儲(chǔ)存框下安裝的質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)清理船垃圾存儲(chǔ)量達(dá)到上限時(shí)的自動(dòng)返航。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 清理船三維圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 清理船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)清理船上述功能，本設(shè)計(jì)采用Arduino Uno R3作為主控單片機(jī)，該單片機(jī)由歐洲科研人員開(kāi)發(fā)，以ATmenga 328p AU為內(nèi)核，時(shí)鐘頻率為16 MHz，F(xiàn)lash內(nèi)存32 kB，數(shù)字引腳口0～13，模擬引腳口A0～A5，默認(rèn)輸入信號(hào)0～5 V。單片機(jī)工作電壓為5 V，最大電流40 mA，可用USB供電或用外接7～12 V的直流電源供電。單片機(jī)的使用需下載Arduino IDE軟件安裝于電腦，軟件安裝后雙擊點(diǎn)開(kāi)，進(jìn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境配置，插入開(kāi)發(fā)板后，系統(tǒng)USB驅(qū)動(dòng)自動(dòng)安裝，在工具欄中選擇對(duì)應(yīng)端口，再在文件欄中選擇示例，點(diǎn)擊Blink程序后即可進(jìn)行程序編寫(xiě)，操作界面中的對(duì)號(hào)表示啟動(dòng)編譯，箭頭表示將程序上傳至單片機(jī)。

3.2 清理船智能巡航及自主巡航模式

由于不同工作環(huán)境下海岸垃圾的分布不同，考慮到降低清理船能耗的問(wèn)題，在海岸垃圾密度小時(shí)，清理船以智能巡航模式工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示；在海岸垃圾密度大時(shí)，清理船采用自主巡航模式工作。智能巡航模式下，垃圾定位系統(tǒng)不斷檢測(cè)清理船正前方是否存在垃圾，若存在垃圾，則單片機(jī)控制垃圾收集機(jī)構(gòu)動(dòng)作，當(dāng)垃圾收集完畢后，垃圾收集機(jī)構(gòu)停止工作，清理船繼續(xù)巡航；自主巡航模式下，垃圾收集機(jī)構(gòu)持續(xù)動(dòng)作收集垃圾，單片機(jī)控制垃圾定位系統(tǒng)停止工作。

圖3 垃圾定位系統(tǒng)圖

在垃圾定位系統(tǒng)傳感器的選擇上，常用的傳感器有紅外光電傳感器、超聲波傳感器和激光傳感器等。由于激光傳感器造價(jià)昂貴，又考慮到本設(shè)計(jì)對(duì)障礙物測(cè)距精度要求不高，因此不選用此種傳感器；超聲波傳感器實(shí)用性強(qiáng)，但由于超聲波束角度過(guò)大，因此只能得到簡(jiǎn)單的與障礙物之間的距離；紅外光電傳感器只能判斷障礙物是否存在，不能確定與障礙物的距離信息。從以上分析可以看出，激光傳感器并不適用，而超聲波傳感器和紅外光電傳感器各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)考慮同時(shí)使用超聲波傳感器和紅外光電傳感器，輔以多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)垃圾的定位。GPS系統(tǒng)可提前對(duì)海岸進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)清理船在一定區(qū)域內(nèi)的巡航。垃圾定位傳感器參數(shù)如表2所示。

表2 超聲波模塊、紅外模塊參數(shù)表

3.3 清理船遙控模式

本文所設(shè)計(jì)的清理船控制系統(tǒng)中的遙控模式，主要是為了防止清理船自動(dòng)系統(tǒng)失控后船體難以回收問(wèn)題的發(fā)生。當(dāng)清理船工作過(guò)程中發(fā)生自動(dòng)控制失效或難以自主返航時(shí)，清理船的遙控模式可通過(guò)上位機(jī)遙控清理船返航。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中上位機(jī)只需滿足遙控返航的功能，因此，為降低上位機(jī)的開(kāi)發(fā)成本，本設(shè)計(jì)中選擇使用Arduino Uno R3單片機(jī)為控制中心及相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊，從而可使用此系列單片機(jī)現(xiàn)有的人機(jī)交互平臺(tái)，即手機(jī)微信公眾號(hào)進(jìn)入亞博智能科技，進(jìn)行簡(jiǎn)單的WIFI配置即可通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)清理船的返航操控。其中，藍(lán)牙模塊輸入電壓為3.6～6.0 V，默認(rèn)波特率為9600，信號(hào)有效傳輸距離10 m，因此，遙控模塊中需加配功率放大器。

微信公眾號(hào)配網(wǎng)步驟：1）WIFI模塊供電；2) 在WIFI模塊上，長(zhǎng)按G按鍵，直至藍(lán)色的指示燈亮后松手；3）微信掃描相應(yīng)二維碼，點(diǎn)擊“配置設(shè)備上網(wǎng)”；4）輸入當(dāng)前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)密碼并連接；5）進(jìn)行設(shè)備的搜索掃描，點(diǎn)擊界面中搜索到的“Arduino套件物聯(lián)網(wǎng)控制”；6）點(diǎn)擊“綁定設(shè)備”，即完成配網(wǎng)。

4 垃圾收集機(jī)構(gòu)分析

為了保證清理船的垃圾收集機(jī)構(gòu)在反復(fù)工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度失效，本文對(duì)垃圾收集機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力及位移分析，以證明清理船設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)也為后期成品的制作提供理論依據(jù)。考慮到淤泥海岸垃圾種類、數(shù)量及粘連淤泥等情況，設(shè)計(jì)耙釘型傳送帶，垃圾掃板主體采用鋼材。在有限元分析中，夾具作用面為傳送帶側(cè)面和垃圾掃板兩軸端，對(duì)其垃圾運(yùn)輸面和垃圾掃板的板面施加載荷，獲得應(yīng)力分析圖和位移分析圖，如圖4～圖7所示。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，傳送帶垃圾運(yùn)輸面承受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服力，且位移距離極小。

圖4 傳送帶應(yīng)力分析圖

圖5 傳送帶位移分析圖

圖6 垃圾掃板應(yīng)力分析圖

圖7 垃圾掃板位移分析圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文中的清理船使用轉(zhuǎn)輪作為驅(qū)動(dòng)裝置，使用雙直流電動(dòng)機(jī)為轉(zhuǎn)輪提供動(dòng)力。直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)清理船的轉(zhuǎn)向。垃圾掃板及耙釘型傳送帶同樣采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。垃圾定位系統(tǒng)選用超聲波傳感器及紅外光電傳感器，通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)對(duì)垃圾進(jìn)行精確定位。GPS系統(tǒng)可提前對(duì)海岸進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)裝置在限定區(qū)域內(nèi)的巡航。質(zhì)量傳感器安裝于垃圾儲(chǔ)存框下，當(dāng)收集到的垃圾達(dá)到設(shè)定值時(shí)，信號(hào)輸入控制中心，由單片機(jī)發(fā)出指令，控制清理船返航。同時(shí)，為防止清理船失控現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)中增加遙控模式，采用物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

淤泥質(zhì)海岸清理船主要用于淤泥質(zhì)海岸的垃圾清理，也可執(zhí)行內(nèi)陸河道、湖泊水域的水面垃圾打撈收集工作，具有較強(qiáng)的可移植性。本文主要完善了淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船設(shè)計(jì)，提出了基于單片機(jī)的淤泥質(zhì)海岸垃圾清理船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。清理船設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)可有效解決海岸垃圾的污染問(wèn)題，能有效促進(jìn)相關(guān)海岸旅游產(chǎn)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。另外，海岸垃圾污染的治理也間接保護(hù)了海洋生物的生存環(huán)境。本文所完善的清理船設(shè)計(jì)的實(shí)施，可改善人工打撈的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免不明垃圾對(duì)打撈人員造成的傷害，保護(hù)打撈人員安全。