面向個(gè)性化定制的水面垃圾清理船*

李東旭

赤峰工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古赤峰 024000

1 設(shè)計(jì)背景

天然湖泊、水庫、景區(qū)公園的人工湖,會(huì)積存垃圾,主要包括塑料袋、礦泉水瓶、枯葉等雜物。隨著人們對(duì)生活環(huán)境要求越來越高,加之政府對(duì)水面環(huán)境監(jiān)管力度越來越嚴(yán),亟需研發(fā)一款智能化的水面垃圾清理船。現(xiàn)有的水面垃圾清理船主要為大型機(jī)械裝置,大型清理船不適用于清理小型水面垃圾;而且現(xiàn)有清理船主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),消耗燃油,勢(shì)必浪費(fèi)能源,產(chǎn)生二次污染。綜合分析,針對(duì)不同水面環(huán)境、不同垃圾類型,所需垃圾清理船的總體尺寸、功率大小、打撈結(jié)構(gòu)各不相同。因此,亟待設(shè)計(jì)一種可根據(jù)水面垃圾清理需求,能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的水面垃圾清理船。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低水流阻力,船體造型應(yīng)用仿生學(xué)原理,采用泥塑方法設(shè)計(jì)船體外形,應(yīng)用三維打印技術(shù)制造。該方法可縮短船體外形設(shè)計(jì)周期,提高研發(fā)效率,采用流線型能降低船體在水面運(yùn)行的阻力,提高運(yùn)行速度。掃描后的數(shù)據(jù)通過軟件處理,可根據(jù)需要進(jìn)行尺寸調(diào)整。由于水面環(huán)境差異較大,垃圾類別多種多樣,為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,避免船體較大造成能源的不必要浪費(fèi),框架總體尺寸可以跟隨需求設(shè)計(jì),方便實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。船體制作通過三維打印技術(shù)實(shí)現(xiàn),選用生物可降解環(huán)保材料,主體質(zhì)量輕、密封性好,可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。

2.2 打撈收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

垃圾清理船的主要功能是對(duì)水面垃圾進(jìn)行打撈收集處理,常見的水面垃圾主要包括浮萍、枯枝落葉、礦泉水瓶、塑料制品等垃圾。不同垃圾所用的打撈裝置結(jié)構(gòu)、尺寸、強(qiáng)度各有差異,垃圾質(zhì)量、體積決定打撈裝置結(jié)構(gòu)的尺寸。根據(jù)調(diào)研,校園和小區(qū)人工湖水面垃圾以礦泉水瓶、塑料袋為主,材質(zhì)輕,不需要剪切裝置結(jié)構(gòu)。針對(duì)河道、天然湖水面的水生植物垃圾,需要加裝剪切裝置。面向人工湖不考慮水底垃圾清理,如果對(duì)水底的垃圾有清理要求,可以加設(shè)垂釣打撈裝置結(jié)構(gòu)。垃圾打撈裝置的結(jié)構(gòu)采用Unigraphics三維造型軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),打撈裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、收集垃圾容積大,采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可減小阻力。打撈收集裝置結(jié)構(gòu)基于模塊化設(shè)計(jì)理念,可根據(jù)不同類型垃圾選擇制作組裝,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。

2.3 動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

水面垃圾清理船在行駛的過程中會(huì)受到阻力,因此動(dòng)力裝置的最大推力要滿足船體行進(jìn)要求。為了節(jié)能環(huán)保,該垃圾清理船采用鋰離子電池作為電源,采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。鋰離子電池具有容量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),充電時(shí)間能夠滿足使用要求。直流電機(jī)使用方便、便于進(jìn)行控制,因此采用這種動(dòng)力設(shè)計(jì)方案。考慮到氣動(dòng)需要加裝氣泵等裝置,為了簡(jiǎn)化船體結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間,同時(shí)提高控制精確性,該船體采用雙螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)控制靈活、制作簡(jiǎn)單,廣泛應(yīng)用于船體推進(jìn)結(jié)構(gòu)之中。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能前提下,綜合降低成本、控制可靠等因素,可以選擇性加裝舵機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。不采用舵機(jī)系統(tǒng),螺旋槳分別安裝在主體結(jié)構(gòu)后部底端左右兩側(cè),可以調(diào)節(jié)船體行進(jìn)速度,通過控制左右電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以實(shí)現(xiàn)船體轉(zhuǎn)向。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制,自主設(shè)計(jì)制作控制系統(tǒng)。主要包括電源模塊、無線通信模塊、視頻采集處理模塊等。傳統(tǒng)打撈船依靠人工識(shí)別垃圾,容易造成垃圾遺漏。為了實(shí)現(xiàn)打撈精準(zhǔn)性,通過加裝超聲傳感器來探測(cè)水面障礙物,判別垃圾是否清理干凈。為了減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高作業(yè)安全性,實(shí)現(xiàn)智能化打撈,應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù),通過加裝攝像頭進(jìn)而精確清理水面垃圾。應(yīng)用無線通信技術(shù),加裝移動(dòng)供應(yīng)商提供的手機(jī)通信卡和全球定位系統(tǒng)模塊,實(shí)現(xiàn)船體控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制中心的通信。同時(shí),為了使用方便,基于人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)手機(jī)應(yīng)用程序,實(shí)現(xiàn)垃圾清理智能化。主板采用Cortex-M3 處理器,使用C語言編程,控制系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)、制作完成,節(jié)約成本,控制可靠。控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

3 垃圾清理船制作

3.1 參數(shù)計(jì)算

面向校園人工湖進(jìn)行設(shè)計(jì)船體,湖面面積10 500 m2。垃圾主要為枯枝落葉、礦泉水瓶、塑料袋,垃圾質(zhì)量輕、體積小,針對(duì)此環(huán)境設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)船體參數(shù)。船體總體尺寸根據(jù)垃圾總體分布情況,合理規(guī)劃打撈次數(shù),根據(jù)單次清理垃圾質(zhì)量、體積設(shè)計(jì)船體總體尺寸與收集結(jié)構(gòu)尺寸,計(jì)算設(shè)定船體總體尺寸為長(zhǎng)0.6 m、寬0.4 m、高0.3 m。抽樣測(cè)量垃圾質(zhì)量,結(jié)合船體凈重,設(shè)定船體排水量為5 kg,最大吃水深度符合要求。

3.2 三維造型

根據(jù)參數(shù),應(yīng)用三維繪圖軟件設(shè)計(jì)船體總體結(jié)構(gòu)和打撈裝置,打撈裝置結(jié)構(gòu)造型如圖2所示。

圖2 打撈裝置結(jié)構(gòu)造型

根據(jù)單次打撈垃圾的質(zhì)量、體積設(shè)計(jì)打撈裝置結(jié)構(gòu)尺寸,校核強(qiáng)度,并優(yōu)化改進(jìn)。通過造型軟件設(shè)計(jì)打撈收集裝置結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu),包括電控板固定結(jié)構(gòu)、鋰離子電池倉、螺旋槳固定結(jié)構(gòu)及電機(jī)固定結(jié)構(gòu)等。考慮船體在水面運(yùn)行受到水面雜物沖擊,船體結(jié)構(gòu)要滿足強(qiáng)度要求,同時(shí)連接處要設(shè)定圓角,避免應(yīng)力集中引起開裂。船體采用系列化設(shè)計(jì),可以縮短設(shè)計(jì)周期。

船體外形部分通過泥塑、掃描、數(shù)據(jù)處理的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1) 泥塑。為了降低阻力,利用泥塑進(jìn)行外形設(shè)計(jì),相比采用軟件設(shè)計(jì),該方法能更好設(shè)計(jì)復(fù)雜的船體仿生學(xué)造型,縮短設(shè)計(jì)周期。雕塑好模型后,放置陰涼干燥處晾干。

(2) 掃描。晾干后的模型噴涂顯影劑,針對(duì)復(fù)雜無明顯特征體的船頭曲面,應(yīng)適當(dāng)選取標(biāo)記點(diǎn)位置,貼好標(biāo)記點(diǎn)后應(yīng)用三維掃描儀進(jìn)行掃描。

(3) 模型處理。通過杰魔軟件,對(duì)掃描好的船體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、去噪,生成船體三維模型。

3.3 打印組裝

應(yīng)用三維打印機(jī)打印船體部分。三維打印是中國(guó)智能制造2025要重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)項(xiàng)目,相比其它船體制造技術(shù),三維打印技術(shù)不需要設(shè)計(jì)模具,打印成本低,非常適合個(gè)性化設(shè)計(jì)定制。三維打印技術(shù)現(xiàn)已能夠完成金屬零件的打印,制造的船體強(qiáng)度和性能足以滿足船體要求,可根據(jù)個(gè)性化需要選擇打印材料。船體打印完畢后,將船體的零件部分與電控部分進(jìn)行組裝。

3.4 試驗(yàn)

通過設(shè)計(jì)制作,經(jīng)過實(shí)地測(cè)試,該水面垃圾清理船結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)行可靠,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制。通過傳感器、攝像頭,能夠遠(yuǎn)程控制船體打撈湖心區(qū)域垃圾,實(shí)現(xiàn)清理自動(dòng)化。使用鋰離子電池,節(jié)能環(huán)保,待機(jī)和工作時(shí)間長(zhǎng),滿足工作要求。綜上所述,垃圾清理船的制作流程如圖3所示。

圖3 垃圾清理船制作流程

4 創(chuàng)新意義

這一垃圾清理船能夠面向客戶實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制,克服現(xiàn)有清理船尺寸大、型號(hào)單一的缺點(diǎn)。這一垃圾清理船采用三維打印技術(shù),選擇生物可降解材料打印制作,材料環(huán)保、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高,船體強(qiáng)度高,使用壽命長(zhǎng)。可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制,方便工人在岸邊或控制室進(jìn)行作業(yè),避免安全事故發(fā)生。通過傳感器可以精準(zhǔn)探測(cè)清理垃圾,通過視覺識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能操作。采用蓄電池驅(qū)動(dòng),節(jié)能環(huán)保,工作時(shí)間長(zhǎng)。外型簡(jiǎn)潔美觀,有效減小船體在水面運(yùn)行所受到的阻力,船體的材料成本和加工制作成本低廉。能針對(duì)特定垃圾選取打撈裝置結(jié)構(gòu)模塊,收集垃圾快速高效。

5 應(yīng)用前景

從市場(chǎng)來看,目前還沒有能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的類似垃圾清理船,該垃圾清理船的設(shè)計(jì)可面向客戶需求進(jìn)行制作,可打撈大部分水面漂浮垃圾,遠(yuǎn)程控制、打撈精準(zhǔn)。

應(yīng)用態(tài)勢(shì)分析法對(duì)這一垃圾清理船進(jìn)行優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)、機(jī)會(huì)、威脅分析,優(yōu)勢(shì)為創(chuàng)新個(gè)性化定制模式,智能化遠(yuǎn)程無線控制,彌補(bǔ)現(xiàn)有市場(chǎng)空白,劣勢(shì)為前期知名度不高,前期資金投入大,機(jī)會(huì)為新型產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場(chǎng),需求擴(kuò)大,快速擴(kuò)張,威脅為新型設(shè)備層出不窮,物價(jià)上漲,成本提高。可見,這一垃圾清理船的市場(chǎng)前景十分廣闊。

6 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的水面垃圾清理船可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)制作,彌補(bǔ)了現(xiàn)在市場(chǎng)的空白,能實(shí)現(xiàn)垃圾清理遠(yuǎn)程控制,實(shí)用性好、成本低、安全可靠,可廣泛應(yīng)用于各種水面環(huán)境。水面越大,距離岸邊越遠(yuǎn),越不適合人工作業(yè)的水域,這一垃圾清理船的清理優(yōu)勢(shì)越顯著,將有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>