平流沉淀池集水槽青苔清理機器人的研發與應用

汪文煌 周勇 徐成明

[摘? ? 要]在水廠生產過程中，平流沉淀池集水槽和水接觸的地方會長滿青苔是一個相當普遍的問題，并且難以解決。本文介紹了一種平流沉淀池集水槽青苔清理機器人，該機器人能夠很好的清理集水槽中的青苔，為水產生產提供支持。

[關鍵詞]集水槽;青苔清理機器人;水廠

[中圖分類號]TU991.23 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]In the production process of waterworks， it is a very common problem that moss grows in the place where the collecting tank of horizontal sedimentation tank contacts with water， and it is difficult to solve it. This paper introduces a kind of moss cleaning robot in the collecting tank of horizontal flow sedimentation tank. The robot can clean the moss in the collecting tank and provide support for aquatic production.

[Keywords]water collecting tank; moss cleaning robot; water plant

目前以地表水作為水源水，有95%以上的水廠都采用常規水處理工藝，在生產過程中平流沉淀池的出水集水槽與水接觸的地方會長滿青苔是一個普遍存在的問題，至今沒有企業能解決這個問題，特別是在春夏秋三個季節，青苔生長影響水廠衛生形象而且影響供水水質。從目前供水行業來看，處理平流沉淀池的出水集水槽青苔的方式主要采用人工刷洗和前加氯兩種方式，但這兩種方式效果均不理想，無法清理干凈，同時這兩種清理方式帶來的隱患也很大，供水行業至今無更好的解決辦法。

1 技術分析

1.1 總體方案

智能溢流槽青苔清理機器人采用機械刷洗的方式去除溢流槽表面附著的青苔;在刮泥機軌道上架設一臺簡易行架，行架沿著刮泥機軌道運行，機器人在行架上行走，清洗頭刷洗溢流槽表面，全部動作由多套控制系統配合完成。如圖1所示。

智能集水槽青苔清理機器人由機械系統、行架控制系統、軌道掃描識別系統、智能控制系統、云平臺監測系統、供電系統等部分組成。

1.2 基本組成

1.2.1 機器人本體

機器人本體為清理系統提供安全穩定的工作載體，主要由驅動輪、驅動伺服電機、機器人殼體等組成。

1.2.2 位置隨動系統

位置隨動系統保證清理系統在規定時序內精準運動至清理點，為清理溢流槽壁做準備，主要由移動滑臺、旋轉臂、升降桿、距離傳感器、接觸器等組成。如圖2所示。

1.2.3 清理系統

機器人的主要執行部件主要由錐齒輪傳動機構、清理電機、清理主軸、清理刷頭、壓力傳感器、接觸器等組成。如圖3所示。

1.2.4 驅動機構

驅動機構為機器人本體提供精確穩定的位移動力，保證清理系統精確的空間全方位位置行走能力，主要由高精度直流伺服電機、直齒輪傳動系、錐齒輪傳動系、高精密滾珠絲桿、位置信號反饋器等組成，如圖4所示。

1.2.5 變軌系統

變軌系統為機器人跨軌道清理作業的輸送機構，實現一臺機器人清理多個溢流槽的功能，主要由變軌伺服電機、齒輪傳動系、提升臂、抓緊機構、變軌驅動輪、接觸器、行程開關等組成。如圖5所示。

1.2.6 智能控制系統

綜合各類傳感器、執行器、智能控制系統、物聯網硬件、云平臺終端數據庫及上位機軟件為一體的智能化網絡。如圖6所示。

2 關鍵技術

2.1 定位及物聯網技術

本文采用CCD掃描軌道定位技術實現小車的位置定位，為小車實現路徑規劃和動作指令提供依據。通過Wifi無線模塊和物聯網技術進行數據傳輸，完成小車、云平臺、后臺用戶界面三位一體的對接，為實時監測智能控制提供技術支持。

2.2 在線監測及遠程控制

完善的上位機監測軟件和通暢的信息交互。把小車控制器和后臺電腦緊密連接，把位置信息傳到后臺電腦終端，并顯示在電腦的實時在線監測地圖軟件中，并有數據透傳模塊把小車外圍環境用視頻傳回到后臺控制室，實現實時在線監測和定位功能，在后臺控制室也可以通過遠程控制模式對小車進行控制。

2.3 高性能核心處理器和終端

小車車載嵌入式處理器ARM系列芯片，實現高速、高效、復雜算法的處理。終端采用云服務和后臺處理專用軟件，具有保存數據、實時監測、運行托管等功能。實現無人化、自動化運行。

2.4 避障技術

通過激光雷達掃描避障技術，識別橫檔和側邊障礙。激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。從工作原理上講，與微波雷達沒有根本的區別。向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數。

工作在紅外和可見光波段的，以激光為工作光束的雷達稱為激光雷達。它由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個厘米，而系統的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、及慣性測量單元（IMU）三者同步等內在因素。并控制機械臂配合完成穿躍障礙動作。

2.5 精準位置控制

控制電機采用伺服電機配合高精度的機械結構。針對多自由度機器人軌跡跟蹤控制的問題，提出了一種基于改進的神經網絡PID復雜的控制方法，利用粒子群算法的全局優化能力和較強的趨同能力提高BP神經網絡的權。該方法是基于基本BP神經網絡算法的向后誤差傳播，調整對應于所述更新粒子位置的BP神經網絡權值和閾值，充分利用粒子群算法的全局優化能力強和BP神經網絡算法反向傳播特性好的特點。仿真結果表明，該方法可以優化動態過程，降低系統的穩態誤差，克服傳統PID控制方法的不足，對控制技術有良好的價值。實現控制精細化，準確化。

2.6 智能規劃清理路線

工作模式a;小車可以進行系統掃描，自行解算運動方案，繼而執行清理動作，自動解算算法采用3D打印的工步逐進技術。

工作模式b：人為在后臺控制中心，通過人機交互界面預先設定清理路線，通過物聯網傳輸到小車控制中心。小車按照設定路線，并結合位置定位實時校正路線，進而完成清理過程。清掃過程采用3D打印的工步逐進技術，實現了有序的全方位無死角清潔。

3 現場應用情況

3.1 清洗效果

清洗過后水槽表面潔凈無青苔附著，漏點少，比人工清洗和前加氯效果好。如圖7所示。

3.2 安全性

沒有人員直接清理，減少了工作人員危險，機器人具有多種傳感器保證正常工作。

3.3 清洗效率

成品后可實現自動化清理，清理時間可自由設定，效率更高。

3.4 使用便捷性

操作方便，設置上可一鍵啟動，整機在15～20kg，搬運方便無需其他工具。

3.5 可操作性

操作無特殊要求，簡單培訓即可。

4 結語

集水槽青苔清理機器人即可以根據設定好的工作周期開展清理工作，也可根據人工指令開展工作。新型刷頭能夠將集水槽各個死角部位的青苔清理干凈。成功的用機器代替人工，避免了人工清理帶來的安全風險。

參考文獻

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