智能化水面垃圾清理機器人研究與實現

易笑宇

（陸軍工程大學 江蘇 南京 210000）

0 引言

本項目所設計的智能化水面垃圾清理機器人，主要解決水面零散垃圾的清理問題。通過調整裝置大小，解決垃圾清理設備受水深以及河道寬窄的影響；通過將蓄電池置于連接軸內部，密封電池倉提高防水性能，有助于續航時間的延長和垃圾撈取率的提高；通過運用MobileNet 模型、K210 芯片、控制模塊采用Broadcom BCM2711 芯片等一系列先進技術設備，實現圖像分類、特征學習、設備驅動以及垃圾回收等功能，以保證水面垃圾的智能識別和收集清理，解決目前必須依靠人力清理的問題[1]。

1 研制背景

1.1 研究背景及現狀

經過組內調研，發現在我國現有的水面垃圾清理工作中，所采用的回收方式主要為人工回收或者人工駕駛大型專業回收船只到指定水域進行回收。

人工回收的方法主要是依靠工作人員在岸邊用打撈回收工具直接進行水面垃圾的回收清理或者人工劃船到指定地點進行清理回收[2]。這種清理回收方式效率低，并且清理范圍局限性大，如遇惡劣天氣，對工作人員的人身安全也帶來很大的隱患。大型專業的垃圾回收船的功能齊全，但是價格昂貴，需要專業人才駕駛，一些特定的水域大型船只無法到達[3]。

本項目基于以上背景，擬設計一款自動識別收集的水面垃圾機器人，解決垃圾收集效率不高且水域具有局限性的問題，提高作業效率以及操作人員安全。

1.2 研究目的

為解決上述問題項目組創新撈取方式，提出通過視覺模塊增加智能化，靈活機動且降低能耗的新思路：采用水泵推進方式代替螺旋槳，提供動力到達漂浮垃圾處，簡化設備結構實現輕量化；由水面垃圾清理機器人通過視覺模塊進行物品識別對垃圾進行定位，降低人力依靠程度；使用內含蓄電池的密閉電池倉，延長電池使用壽命，提高續航時間；使用浮板和擋板相連，控制入水量，提高垃圾撈取率。

2 設計思路及技術

2.1 整體設計思路

根據智能化水面垃圾清理機器人的研究目標與內容，本文收集相關資料結合背景進行討論，初步對垃圾清理討論過程確定如下。

第1 步，確定機器人的能源供應方式，包含設備的續航能力以及能源的替換等問題的解決。

第2 步，確定機器人適用水體范圍，并尋找具有代表性的場地進行實體實驗，從而驗證機器人主體的防水性以及穩定性。

第3 步，確定機器人識別定位功能，為核心工作要求，從而確保垃圾識別的自動化。

第4 步，確定垃圾收集方式以及驅動方式合理有效，保證能快速準確到達指定位置并且完成相關作業。

2.2 目標設計及功能分析

2.2.1 垃圾定位以及動力驅動設計

垃圾的定位使用視覺模塊中的圖像識別功能實現，視覺模塊下方與電滑環連接，電滑環下端與連接軸相接，連接軸下方安裝水泵，根據垃圾所在位置轉動電滑環從而間接使得水泵出水口方向變化，提供前進動力。驅動動力來源選擇水泵可以減少機械故障的可能性，取代螺旋槳，作為創新點的同時可以簡化結構，避免在實際應用環境中與水草纏繞。

2.2.2 垃圾收集設計

采用三角形架構保證收集裝置的穩定性，垃圾利用水泵前行過程中形成的液面差進入裝置內，浮板增加浮力，保證裝置在水面運行時候的平穩運行。可拆卸濾網，面對不同垃圾具有不同的濾網選擇。

2.3 技術路線

整體技術路線見圖1。

本文將整體目標分為功能設計和結構設計兩個大塊分別進行推進。兩者結合考慮，目標一致，融會貫通。

設計流程見圖2。

2.3.1 運動功能

為解決市面常見機器人動力提供設備繁瑣且重心不穩，容易在運行過程中出現失控問題，本文采用水泵簡化推進裝置；使用浮板，在控制入水量的同時穩定結構，見圖3。

2.3.2 圖像識別功能

為實現自動化，本文使用視覺模塊進行智能識別，視覺模塊內含MobileNet 模型，識別模塊采用的芯片為K210芯片，控制模塊采用的芯片為Broadcom BCM2711 芯片，實現圖像分類、特征學習等功能[3]，見圖4。

2.3.3 垃圾清理功能

針對水面的零散垃圾，本裝置采用濾網結構，當目標清理垃圾順著液面差[4]進入垃圾收集裝置時，垃圾留置于濾網之上，水流進入儲水倉后由水泵排出，見圖5。

2.3.4 能源供給功能

為響應綠色環保理念，本文添加太陽能板，使用清潔能源與蓄電池的結合，延長續航時間，保證長時間有效的垃圾收集，見圖6。

2.4 重難點攻關

本文總結現有技術結合設計目標，為降低裝備本身對環境的影響，利用太陽能作為部分能量和動力的來源，降低成本同時增強環境友好性。采用水泵推進方式，形成液面高度差的同時，提供動力，不額外安裝螺旋槳提供動力，簡化結構，減少機械故障概率，降低能耗，同時避免在實際應用環境中與水草纏繞。使用內含K210 芯片的視覺模塊快速實現算法，控制模塊采用的芯片為Broadcom BCM2711 芯片，以便及時獲取被檢測目標的分類，利用MobileNet 模型實現在圖像分類、圖像識別等任務中的較高的準確率，從而實現機器人在水面上識別定位垃圾的功能，在一定程度上減少了對于人力的需要。

為保證裝置功能的順利實現，需特別注意這幾部分內容：（1）將電池倉安裝于水面之上，保證裝置的防水性，提高裝置續航能力；（2）為保證裝置運行的穩定性，將有一定重量的器件的位置盡量安排至旋轉中線，避免運行時發生偏轉；（3）將浮板和擋水板直接相連，穩定結構的同時可以控制入水量，確保裝置的處理效率。

2.5 可行性分析

第1 點，機器人的運動功能和能源供給功能、垃圾收集功能，以及智能化的圖像識別功能都可以按照計劃運行。

第2 點，設備防水效果好，可以保持工作過程中的密閉性。

第3 點，操作簡單，容易攜帶，使用水體范圍廣，局限性小，本模型的提出都有相關實體技術的對應，可以遷移生產實物。

3 項目實現

為實現全自動垃圾清理的功能，本項目化整為零，劃為不同的功能模塊設計，其中包括機器人基本運動功能、能源供給功能、垃圾收集功能以及智能化的圖像識別功能4 個模塊。通過視覺模塊實現目標識別同時定位垃圾所在水域，增加太陽能電池搭配蓄電池使用的新型環保能源，由水泵驅動設備的同時形成液面差進行垃圾收集，從而簡單實現水面垃圾清理的目的[4]。

3.1 運動功能的實現

如圖3 所示，采用水泵推進方式，形成液面高度差的同時，提供動力，不額外安裝螺旋槳提供動力，簡化結構，減少機械故障概率，降低能耗，同時避免在實際應用環境中與水草纏繞。

3.2 能源供給功能的實現

能源供給結構見圖7。

使用蓄電池和太陽能共同提供能源的方式，太陽能作為部分能量和動力的來源，降低成本同時增強環境友好性；蓄電池供電提高裝備運動續航時間，保證裝備的運行穩定性。

3.3 垃圾收集功能的實現

垃圾收集功能見圖8。

當設備驅動向垃圾清潔目標時，泡沫浮板調節機器人重心平臺，確保設備主體穩定性。擋水板形成一個帶有從上至下的斜面，進行收集水面垃圾任務時，便于使目標水域范圍內的垃圾通過斜面進入濾網，實現垃圾的集中。過濾后的水先進入儲水倉，水泵進水口與儲水倉連接形成液面差，儲水倉內水位到一定程度時通過出水口泵出提供動力，使得設備在預想幅度內上浮下潛，便于對集中后的垃圾移出水面。濾網可拆卸靈活組裝架構，根據清潔任務選擇不同濾網孔徑大小，以便提高收集效率。

3.4 智能化的圖像識別功能的實現

視覺模塊外觀見圖9。

利用MobileNet 模型實現代碼，依靠K210 芯片的視覺模塊快速實現算法，在圖像分類、圖像識別等任務中的較高的準確率，為實現垃圾智能化、自動化收集提供依據。

3.5 效果評估

通過各個模塊的組合，能較好按照預想實現相關功能；通過驗證，發現本文設計的機器人具有裝置自動化高、工作效率高、適應水體環境多的優點，可以有效解決垃圾打撈效率低下且人工具有一定風險的問題；對水面上常見漂浮垃圾通過更換濾網大小，使其打撈清理功能更具有針對性，保證垃圾清理的覆蓋面積以及種類。

4 相關情況說明

4.1 使用說明

在放入指定水體之前，觀察垃圾種類，使用濾孔大小合適的濾網；驗證視覺模塊的正常運行特別是圖像識別與分類的靈敏度，確保可以順利定位垃圾所在位置，為機器人方向驅動提供依據；檢查裝備的密封性，確保不會因為漏水短路影響最終效果。

4.2 注意事項

長期不使用的時候要及時取出電池，防止電池長時間存放過程中，因為外殼（鋅）的消耗破裂導致漏液，泄漏液中的氯化銨、氯化鋅具有腐蝕性會損壞電池倉的極片，影響其他零件的正常工作。

為穩定裝置重心，在其電池倉下方安裝軸承，因軸承長期接觸濕潤空氣，容易氧化生銹，影響電滑環轉動，會使裝備無法及時調整前進方向，需要經常檢查和更換，做好防銹工作。

定期檢查裝備的密閉性，保證防水性；使用過后及時控干水泵與儲水倉內殘存液體，延長使用壽命；清潔濾網，檢查是否有殘損部分需要及時更換[5]。

5 結語

各類水體提供珍貴的水資源，維持生態環境，使環境美觀，隨著經濟的快速發展，各類水體受到不同程度垃圾的污染。社會在進步，而人們的環保意識卻停滯不前，公害事件常有發生。本文以此為切入點，呼吁人民加強對水體環境的保護，同時結合現有情況，解決垃圾清理難、技術要求繁瑣、成本高費時費力等現實問題，提高生態自覺，深刻認識和肩負起生態保護的重大責任，增強憂患意識和責任意識。

在具體展開的過程中，將功能分為四大塊，拆分后逐個解決。通過網絡和通信工具獲取知識，多途徑多渠道收集相關信息，所獲取的資料數量龐大且質量參差不齊。在具體實施中，如何實現垃圾的識別，如何保持實物組裝的密閉性和如何高效替換電池倉等具體問題都得到了解決。