一種基于循環(huán)梯級的海洋垃圾處理裝置

張志高，吳麗曉，崔志遠，徐子宇，王禮杰

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

工業(yè)發(fā)展使得地球海洋環(huán)境日趨惡化，塑料垃圾、工業(yè)廢棄物和生產污水隨著河流沖入海水之中，對海洋的環(huán)境造成了破壞，大規(guī)模污染導致海洋生物因缺氧而死亡，降低海洋生產能力。其中，塑料垃圾數量最大，占海洋垃圾總數的85%，包括塑料瓶、塑料袋和漁網，它們難以自然分解，長期漂浮在海水中。如果不采取相應措施，人類社會也將受其影響。目前，國內海洋垃圾處理方式主要包括人工和機械兩種。一種是通過傳統(tǒng)人工打撈清理垃圾，這種方式具有范圍小、耗時長、難度大的特點，難以徹底清除海洋垃圾；另一種則是通過人工駕駛機械裝置進行清理，勞動強度低，打撈速度快，但采用燃油驅動會對空氣造成污染，且普及度不高。因此，設計一款簡單、高效的海洋垃圾處理裝置是必要的[1]。

針對這些問題和現狀，從海洋垃圾的處理裝置的要求出發(fā)，依據自動扶梯式的原理結構，設計一款能夠實現對海洋漂浮垃圾的處理裝置。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由垃圾采集裝置、垃圾儲存裝置、車身主體、控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成，整個裝置是基于STM32 單片機的控制系統(tǒng)進行控制，以控制系統(tǒng)為中心，通過驅動單元為裝置提供動力，車身基本框架底部采用密封設置，為整個裝置穩(wěn)定漂浮在水面提供了有利的條件，垃圾采集裝置參照自動扶梯原理，通過改良和升級原有的結構，最終借鑒采用循環(huán)梯級運動的原理，裝置各個系統(tǒng)相互配合實現水面垃圾的采集、傳送、儲存，從而完成水面垃圾的清理工作[2]。

1.1 循環(huán)梯級結構設計

循環(huán)梯級的結構參考了自動扶梯原有的結構，并且在原有的結構的基礎上進行升級和改進，將原有的臺階更換為V 截面的垃圾收集單元，下端刪除原有結構的水平移動端，更容易實現垃圾從水中分離，上端保留水平移動端，從而可以增加儲存結構體積，也更容易實現垃圾與收集單元的分離，使其更加適應水面垃圾采集工作。此結構在驅動電機的轉動下，實現整個結構的循環(huán)轉動，每個采集單元上方兩個輪子相連組成閉環(huán)由電機經過減速后直接驅動，下側輪子在軌道中不同的位置可以更改每個采集單元不同的角度，采集單元從在水下繞圓周旋轉150°，在旋轉過程中將垃圾從水面進行采集，采集后沿著軌道進行運行，直到運行至儲存結構上方，采集單元繞圓周運動旋轉，由于重力作用，每個采集單元垃圾脫落，完成一次的垃圾清理工作。在驅動裝置提供動力下，循環(huán)往復在規(guī)劃的既定路線下完成指定區(qū)域的垃圾清理工作，見圖1。

圖1 循環(huán)梯級結構示意簡圖（不含驅動裝置）

1.2 垃圾儲存結構設計

垃圾儲存結構使用鋁型材搭建，為了方便垃圾的清理工作，將垃圾儲存結構通過快拆裝置安裝在裝置框架上，從而提升垃圾清理的效率。

1.3 裝置基本框架的設計

框架采用鋁型材進行搭建，鋁型材通過角碼可以快速連接，同時能夠降低總體成本，減少制造、加工、組裝時間，還可以使各種裝置在框架上安裝簡單，通過T 型螺母緊固，方便拆裝。考慮在陸地上移動方便，框架安裝四個萬向輪方便移動。在框架底部四軸固定氣包，為裝置在水中工作提供浮力，為穩(wěn)定工作提供保障[3]。

1.4 控制系統(tǒng)設計

1.4.1 主控芯片選擇

主控芯片采用STM32F103RCT6 為Cortex-M3 內核，MCU 運行頻率最高達72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM 容量為48 K、多種外設、USB 接口和CAN。此系統(tǒng)中，主控芯片主要任務為讀取姿態(tài)傳感器IMU 數據、GPS 數據、遙控器信號、為驅動裝置提供驅動信號，因此此款芯片性能可以滿足使用要求。

1.4.2 動力驅動系統(tǒng)選擇

考慮到工作環(huán)境的復雜性，本次動力元件全部使用步進電機提供動力，步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步，其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數成正比，轉速與脈沖頻率成正比。根據裝置大小以及實際運行功率需求，最終選擇雷塞86CM85D 開環(huán)步進電機，此電機最大輸出扭矩8.5 Nm，額定工作電流為6 A，步進電機驅動器最終選擇M860D 開環(huán)步進驅動器，內置平滑濾波功能電流峰值最高可達7.2 A，同時具有參數自動整定功能，精密電流控制減少電機發(fā)熱，并且具有過流過壓保護功能。

1.4.3 GPS 模塊以及姿態(tài)傳感器IMU 選擇

GPS 模塊選擇為AT6558R 定位模組BD-280ZR，模組水平定位精度2 m，通過TTL 電平，使用NMEA-0183 協(xié)議進行數據傳輸，最高可支持波特率921 600 bps, 數據更新頻率1 Hz～10 Hz，滿足使用需求。MPU9250 內部集成有3 軸陀螺儀、3 軸加速度計和3軸磁力計，輸出都是16 位的數字量;可以通過集成電路總線(IIC)接口和單片機進行數據交互，傳輸速率可達400 kHz/s。陀螺儀的角速度測量范圍最高達±2000（/s），具有良好的動態(tài)響應特性。加速度計的測量范圍最大為±16 g(g 為重力加速度)，靜態(tài)測量精度高。磁力計采用高靈度霍爾型傳感器進行數據采集，磁感應強度測量范圍為±4800 μT，可用于對偏航角的輔助測量。

MPU9250 自帶的數字運動處理器（DMP:Digital Motion Processor）硬件加速引擎，可以整合九軸傳感器數據，向應用端輸出完整的9 軸融合演算數據。

有了DMP，我們可以使用InvenSense 公司提供的運動處理庫（MPL：Motion Process Library），非常方便的實現姿態(tài)解算。

1.4.4 無線通訊模塊選擇

無線通訊模塊選擇為HC-05 藍牙模塊，藍牙HC05 是主從一體的藍牙串口模塊，簡單的說，當建立連接，兩設備共同使用一通道也就是同一個串口，一個設備發(fā)送數據到通道中，另外一個設備便可以接收通道中的數據。藍牙通訊方便快捷，可以通過手機等便攜設備進行通訊。

1.4.5 程序設計

裝置啟動后，初始化并檢查各個傳感器狀態(tài)，初始化完成后等待任務下發(fā)，通訊裝置接收到任務后，通過讀取姿態(tài)傳感器IMU 和GPS 模塊數據得到當前所處位置和姿態(tài)信息，讀取當前任務，從而實現路徑規(guī)劃，最終實現水面垃圾清理工作，完成最終工作后，并自動回到原點。

2 工作原理

見圖2。

圖2 工作原理圖

裝置啟動后，接收到工作任務后，默認打開梯級循環(huán)機構驅動電機，每一個采集單元從水面采集垃圾（見圖3），每個垃圾采集單元配備三個輪子，上測輪子沿著固定軌道完成整個裝置的旋轉往復運動，下測輪子隨著軌道的變化，繼而繼而可以改變每個垃圾采集單元的旋轉角度（見圖4），完成垃圾的自動卸載至儲存箱。通過循環(huán)往復自動實現垃圾收集、存儲和再收集。主控系統(tǒng)通過讀取當前任務路線，讀取姿態(tài)傳感器IMU 和GPS 模塊數據，獲得當前運行狀態(tài)和運行方向，通過不斷修正位置從而完成路徑規(guī)劃，實現指定水域的垃圾清理與儲存任務，當任務完成或垃圾儲存裝置裝滿之后自動回到原點，完成任務或清理儲存垃圾后繼續(xù)執(zhí)行任務從而直到最終任務完成[4]。

圖3 采集單元轉運狀態(tài)

圖4 采集單元卸載狀態(tài)

3 系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 硬件優(yōu)化

實際運行過程中，發(fā)現垃圾收集單元從水中采集時垃圾容易脫落，導致每個采集單元實際垃圾采集量偏少，其次在運送過程中垃圾也容易脫落。為此，我們改良每個垃圾采集單元，更改其采集單元外觀，將底部角度變小，由于重力作用，防止垃圾在傳送中脫落其次，也更容易從水中采集出垃圾，見圖5。

圖5 優(yōu)化后的采集單元

3.2 程序優(yōu)化

由于GPS 定位精度誤差在2 m 以內以及磁力計陀螺儀存在噪聲誤差，單純依靠GPS 工作或者磁力計陀螺儀勢必會帶來較大誤差，因此我們通過結合陀螺儀數據進行路徑規(guī)劃與單獨使用單一數據進行對比，首先我們將裝置在道路上進行實地測試，通過對比實際運行軌跡與設定軌跡（直線），進行三次對照組測試實驗分別單獨使用GPS、磁力計陀螺儀和將GPS 與磁力計陀螺儀數據融合得出了下面三組實驗數據。此次實驗選定9 m 直線，每運行1 m 數據采集一次，共采集9 次。采集數據見表1，通過對比可以明顯得出融合數據在一定程度下可以減小偏差。

表1 不同數據下與設定直線的偏差（cm）

4 結論

通過裝置機械結構、控制系統(tǒng)的設計并結合實際制作過程中所遇見的問題，我們改良了以下幾個方面，首先，由于工作環(huán)境在水面上，必須優(yōu)化控制系統(tǒng)，做好防水工作，防止控制系統(tǒng)由于水引起的短路和其他不穩(wěn)定情況的產生。其次，優(yōu)化傳動機構，將鏈傳動更換為帶傳動，從而防止由于水面工作導致鏈條生銹造成傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定。最后，增加控制系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，通過讀取各個傳感器數據對裝置工作狀態(tài)進行預估，從而保護好裝置，以免由于硬件問題裝置繼續(xù)工作從而造成更大的損失[5]。

本研究主要介紹了一種適用于海洋垃圾采集、存儲為一體的海洋垃圾清理裝置。提出了一種基于循環(huán)梯級的新型機構，在原有自動扶梯結構基礎上進行優(yōu)良改進，更加適應垃圾清理工作。通過機械結構與優(yōu)良控制系統(tǒng)的緊密結合，從而達到更好的清理效果。