水面垃圾清理機器人控制系統研究

馬夢遙 李海峰 蔡曉彤 馮榆寒 王輝

摘要：水面垃圾的清理是一個無法高效解決的難題，目前現有的水面垃圾處理方式主要以人工打撈為主，簡單機械配合為輔，但仍存在清理費用高、耗時長、效率低、危險性高的現狀。基于我國水體污染垃圾清理的難題，為提高水面垃圾清理的效率，本文介紹了一種水面垃圾清理機器人的控制系統。該控制系統能使機器人能靈活地、精確地在水面上高效工作，并能通過人機交互對機器人進行控制，實現其對水面垃圾的高效清理工作，本文對水面垃圾清理機器人控制系統進行研究。

關鍵詞：水面清潔;機器人;水面漂浮垃圾清理;遠程遙控

1、引言

水體資源是水體環境乃至整個生態環境中的重要組成部分[1]，但是隨著工業石油化工行業的發展，工業垃圾的排放和人為丟棄垃圾的行為，對脆弱的水體環境造成嚴重的破壞，依靠自然界的自我修復能力以遠遠不能維持生態環境的生態平衡。與此同時，由于水體的流動性，漂浮在水體表面的懸浮物不僅造成附近水體環境的污染，還會造成更大范圍水體的污染，而傳統清理方式主要以人工打撈的方式為主，簡單機械配合為輔，通過駕駛船對范圍區域內的漂浮污染物進行打撈，但存在工作效率低、資源耗費大的現象[2]。本文利用現有的先進技術，對水面垃圾清理機器人控制系統進行設計研究，將技術與智能化設備相整合和優化，實現針對區域內漂浮于水面的垃圾進行智能化識別和處理，并通過一體化操作，實現水面垃圾的高效打撈，提高水面垃圾清理的效率。

2、水面垃圾清理機器人控制系統整體構架設計

根據水面機器人的全部處理功能對水面垃圾清理機器人控制系統進行設計，從而構設出基于智能處理與終端操控部件相結合的整體構架，實現以傳感器信息采集與識別為處理基礎、以中央控制系統為核心邏輯處理部件、以終端操控機構為垃圾清理的載體、通過系統內部精密算法對不同的數據信息進行處理，從而實現水面垃圾清理機器人的全部功能。

本文所采用無線通訊模塊作為雙向通信控制單元，以手機終端作為信息傳輸載體，可利用軟件及小程序控制，實現水面垃圾清理機器人的高度自動化作業。水面垃圾清理機器人在工作過程中采用節能型的鋰電池供電系統配備電動機來驅動垃圾清理機器人的運行。電機控制過程主要是采用PID經濟算法實現精準控制。

本系統主要通過傳感器對水面環境數據進行采集，結合內部控制器，實現對水面垃圾所呈現出的空間點進行智能識別。把采集數據反饋到32位單片機中央處理系統，進而制定出完整的規避路徑，有效的解決水面垃圾清理機器人在運行過程中產生碰撞問題。除此之外，本系統所采用的單片機和主控制芯片具有可拓展功能，可針對此不同的實際需求對芯片進行拓展。

3、水面垃圾清理機器人硬件系統設計

3.1單片機系統

本設計采用的主體控制芯片為32位單片機，其最高主頻率可達480MHz，芯片采用24個I/O處理接口以及USART通訊接口，計算時可以通過PID控制策略，對機器人的動力系統進行驅動，實現高精度的快速響應[3]。

3.2避障模塊

水面垃圾清理機器人在運行過程中，主要針對工作路徑之內的水面漂浮污染物進行清理。但在水面垃圾清理機器人作業過程中，障礙物將影響機器人的運行，一旦水面垃圾清理機器人與障礙物產生碰撞可造成損毀問題。避障模塊的設計主要是保證水面垃圾清理機器人具備垃圾識別與規避功能，規避作業過程中所可能產生的碰撞問題[4]。在實際驅動過程中，收集出機器人在作業過程中可能出現的各障礙物坐標信息，利用中央處理器的運算，規定出最優化行駛路徑，保證水面垃圾清理機器人作業的安全性。

3.3遙控輔助系統

遙控輔助系統主要針對各類機器人的反饋信號以及人工干預控制信號進行無線傳輸和遠程操控，可有效將整個操控模式獨立于設備內部，通過接收器與遙控器信號互聯實現遙控。確保在智能控制條件下，也可以通過人工操控進行整體狀態的調整，更為精準的對水面垃圾進行處理。

3.4 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊在設計時是選用T-pinK路由器作為主體連接源，在整個Wi-Fi終端安裝攝像頭以及信號解析軟件，確保外界采集到的數據可實現定向化推送，實現數據信息傳輸的時效性，提高整體控制精度。

4、水面垃圾清理機器人軟件系統設計

在對水面垃圾清理機器人系統進行設計時，采用C語言進行軟件編程。在多個動力驅動裝置聯動處理下，采用高效安全的自檢驗編程策略，采用多重保護機制編程策略。每個功能模塊采用獨立封裝的函數模式，保證數據在傳輸時可將整個采集信息與外界信息進行關聯，確保機器人在作業和運行過程中高效、安全地執行程序[5]，從而滿足水面垃圾清理機器的全部要求。

5、水面垃圾清理機器人控制系統調試及實現

在完成設計軟硬件系統后，需要對整個系統進行調試處理。在實際操作過程中，水面垃圾清理機器人的運行可實現自動化操作，當輸入某一項指令后，可通過主芯片系統的協調處理，使水面垃圾清理機器人在水面之上工作運行。通過識別掃描系統，分析出不同水面垃圾以及不同水面障礙物之間的差異，并反饋至主系統中，從而完成一系列的漂浮垃圾的清理以及避障行駛等，規避風險問題的產生，提高漂浮垃圾清理的效率，降低漂浮垃圾清理的成本。

6、結語

綜上所述，本文闡述了一款水面垃圾清理機器人控制系統，具備這種控制系統的水面垃圾清理機器人可將垃圾處理工作與智能系統相結合，打造出智能操控平臺，使水面垃圾清理機器人設備在水面上實現自動運行，真正實現智能化、高效化的作業。

參考文獻：

[1]陳玲.無人駕駛技術在水面垃圾清理船上的應用分析[J].船舶物資與市，2020（01）：50-51.

[2]張智源，常明堂，宋佳運，等.基于生態設計的城市水上垃圾清理船設計研究[J].科技創 新導報，2019（32）：108-110.

[3]王成龍.基于多通道連續肌電控制的手指康復訓練系統的研究[D].杭州：浙江工業大學， 2019.

[4]劉燁.多模態腦電模式識別方法及其應用[D].上海：上海交通大學，2016.

[5]朱盛穎，郭旭玲，鄧彥松.一種渦旋式水面清潔機器人[J].兵工自動化，2018，37（04）：76-79.