一種新能源水上清理船的設計

譚吉 黃自湘 柯樹浩 黃婉雯 周永恒

摘要：水中的漂浮物及水下的垃圾一直困擾著人們生活，世界各國也花費了大量的時間、精力和經費去清理。針對現有的水上清理船功能的局限性，因此，設計出一種智能清理船，提出一種具有太陽能電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、自動識別執(zhí)行系統(tǒng)以及船體系統(tǒng)的水上智能清理船，進行對各種河道、海灘等水域以進行高精度遠程作業(yè)，提高水面清理工作的安全性和高效性，節(jié)省人力成本。

關鍵詞：設計，智能清理船，遠程作業(yè)，高效性

0.引言

近年來，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，產生了許多水上垃圾，而且人們對美的欣賞要求越來越高，但是人工打撈這些垃圾效率低、耗時長，無法滿足景區(qū)的要求，所以，景區(qū)對新能源水上清理船的需求是龐大且迫切的。

1.結構設計方案

（1）該船采用雙船體結構;該船使用雙船體結構，每個船體一個推動機。在兩個船體間有多段連接橋連接兩個船體的結構框架，框架中作為艙室。載艙室內存有蓄電池、核心電路板。在連接橋上端部署信號接收裝置已接收wifi和太陽能電池板。兩船體前端各一個機器抓（清理網），在雙船體中間放置履帶式鏟子。這樣能清理各種大小不一的障礙物，以及面對復雜的環(huán)境能輕松應對。

（2）動力系統(tǒng)：此船采用4塊太陽能板將太陽能轉換為電能儲存在4塊24V的鉛蓄電池內，讓裝置可以更長時間地工作，提高傳輸效能。根據船的變速結構，我們設計了控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能精確調速、轉向更平穩(wěn)，性能更穩(wěn)定。通過控制馬達的轉動速率，來調控操控船的方向、速度。在清理垃圾區(qū)域方面，以及吸油濾網方面主要是由步進電機完成，最后清理船的燈光、WiFi等信號接收設備則是由太陽能電池板來提供。各電路分工明確，各板塊相互協(xié)調、配合。

（3）安全系統(tǒng)：船體前端設置感應裝置能偵測溫度、能見度以及路狀，有能力能應對各種障礙。以物聯網大數據技術為基礎，增設自動識別航行系統(tǒng)，通過聲光感、濕度溫度感受器等技術，能夠高效的收集、分析海域的近端天氣狀況、通過智能傳感器提前收集處理水體危險障礙物的數據，并根據這些數據規(guī)劃出一條最快速、安全可靠得的線路。該船擁有太陽能供電模塊，水面清理模塊，動力控制模塊，主處理器，無線傳輸模塊，北斗全球定位模塊，自動導航模塊，智能避障模塊以及遠程控制終端保證了其安全性。

2.新能源智能水上清理船的功能模塊設計

（1）動力模塊的硬件設計：太陽能起輔助作用，蓄電池提供動力。直流電動機主要為行駛狀態(tài)、遙控工作狀態(tài)下的船提供動力，交流電機主要為清理設備提供動力。 智能清理船采用4塊24V蓄電池來作為動力源，以便能更長時間工作作業(yè)。對于控制動力的電機，有更好的控制效果，穩(wěn)定船的轉向、速度以及走向。

（2）清理模塊的硬件設計：清掃模塊由彎曲篩網和直篩網組成，篩網外層是鐵絲篩網，內層是吸油濾網的底部與側面都濾水小孔，收集輪設計采用仿動物形變翼偏心運動結構模式，帶動收集板進行伸展收縮的回轉運動，擴大了了船體的工作范圍，適用于各種領域范圍保證船體的穩(wěn)定性，大大提高工作效率。可以使得彎曲篩網能夠360°旋轉，能夠輕易將水中的不規(guī)則垃圾打撈起來。

（3）傳輸模塊的硬件設計：傳輸模塊對清理船起到至關作用，就像血液對人體生命一般。利用電機的動力把垃圾推入篩網中以便撈起來，，將垃圾倒在直篩網上，篩網再把垃圾卷入垃圾箱內。而另一部分則是由吸油鋁制網把水域內的污染油質等 吸附于濾紙網上，在經過傳體內的刮油刀，把污染油脂刮至垃圾箱中，以便處理。彎曲篩網繼續(xù)按照此前工作模式順時針轉動，利用循環(huán)系統(tǒng)可以重復工作，提高了工作效率。

（4）遙控模塊設計：由路由器擴散信號、WiFi模塊發(fā)出信號及遙控器組成，可以在接近50米距離內進行遠距離遙控操控（也可通過手機APP操作），通過信號功率放大可以擴展到更遠的距離，并采用FPV圖像回傳系統(tǒng)，在工作過程中可通過手機以及電腦的APP對船體進行遠程遙控和監(jiān)控，保障船體的安全。

（5）控制模塊的硬件設計：控制系統(tǒng)的硬件是清理船的關鍵，采用單片機32為核心操控部件，采用編程類基礎語言C語言及C++語言編程，從而使船體的各個模塊能夠有條不紊地運行。

（6）系統(tǒng)控制設計：檢查電路連接是否正確，設點設備是否安全可用。然后接上電源，打開手機無線發(fā)送數據，打開WiFi模塊啟動，連接之后檢查每個部分是否正常運作，排除故障之后，進行清理工作。采用單片機32為核心操控部件，采用編程類基礎語言C語言及C++語言編程，包括溫度、水速、壓力、方位位置、電機頻率等，都有相應的控制系統(tǒng)。在此基礎上通過采用數字計算機還建立起了控制性能更好和自動化程度更高的數字控制系統(tǒng)。

3.新能源智能水上清理船的應用

新能源智能水上清理船可以對絕大部分的江河進行清理工作，船舶按照江河大小的不同而分為大小規(guī)格不同的類型，窄小的河道可以選擇小型清理船，寬大的江流和湖泊可以選擇中型或者大型的清理船，無論是什么型號的船舶，都可以有效的對水面的雜物、水草等物質進行打撈工作，保證水體的清潔。以往的水上垃圾都是靠清潔人員手動清理，不僅效率低，并且十分危險，很容易對清理人員造成生命危險。而新能源水上清理船正好解決了這一難題，我們采用的是遠程操控、無人作業(yè)、利用新能源產生動力。我們既提高了作業(yè)的效率也從側面保護了清理人員的生命安全。而且，它能自動識別障礙，能有效地避開障礙物，并自動轉向，不會與其他船體發(fā)生碰撞，船體安裝的傳感器也能準確地感知落水者，不但不會對落水者造成威脅，而且會利用船體的浮力挽救落水者。如果傳感器失靈，遠程操控失靈，我們的系統(tǒng)也是擁有自動循跡功能，所以不用擔心傳感器失靈這類情況。

4.結語

水上智能清理船擁有太陽能電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、自動識別執(zhí)行系統(tǒng)等一系列的智能系統(tǒng)，可以實現自動、手動清理的目的。智能清理船能夠代替人工，全面地提高了清理能力，同時大大降低成本。該多功能智能清理船可在保護水資源環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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基金項目：北部灣大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（202011607100）;

（北部灣大學?廣西?欽州?535011）