智能一體化水面垃圾清理裝置

謝宇，宋其江，王夢，鄭杰倫，侯東芝，肖莎

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱，150040)

0 引言

國內城鎮河道、湖泊、景觀水域等存在許多塑料瓶、紙屑、樹葉等漂浮垃圾，一方面極大影響生態環境，另一方面影響著人民生活質量。水域環境保護是需要常長期堅持的事情，目前的打撈方式主要以人工開小船打撈和大型打撈船兩種。前者常用于狹小水域或經濟落后地區，不但費時費力清理效果不佳而且容易出現安全事故。后者常用于大型水域如長江、海岸，體型笨重、噪聲大易對環境造成二次污染。對于生活區、景區等需要長期維護的中小型水域的清理裝置較少，這些水域的垃圾一般都是人工進行清理，工人高強度工作在人們亂扔垃圾和植物的自然落敗物下清理效果并不理想。如何在不對環境進行二次傷害且不影響人民生活的基礎上，高效率高質量地清理水域漂浮垃圾是需要解決的難題?，F存的各種打撈船收集裝置大多是傳送帶式，存在不夠靈活、打撈不徹底的缺陷。針對以上問題，我們設計了一種以X型桿機構為主體的收集機構并與智能科技結合創造出一款全自動、高效率、低成本、靈活、環保的中小型水面垃圾清理裝置。裝置加入樹莓派和單片機控制，實現智能化；以鋰電池為動力來源，綠色環保；外觀簡潔小巧，可清理狹窄水域；收集機構靈活，效率高；工作無噪音，不影響人民生活。

1 裝置整體介紹

本裝置整體尺寸長1200mm，寬1200mm，高400mm，主要由浮筒、收集機構、絲杠升降機構、齒輪旋轉機構、螺旋槳、垃圾儲存箱等組成[3]。圖1為由solidworks搭建的裝置整體機械結構圖。為了航行穩定，減少水面風浪影響，裝置采用雙體船結構為船身，由兩個樹脂泡沫浮筒組成。其包括動力系統、存儲系統、收集系統和識別系統。

圖1 裝置整體機械結構

1.1 動力系統

裝置通過24V12A的鋰電池供電，既能提供裝置運動所需能源，又符合綠色環保的理念。在垃圾儲存箱尾部裝有兩個桿，兩個T60螺旋槳推進器安裝在桿的端部。螺旋槳通過電機產生推力，前進時，左旋逆時針，右旋順時針；后退時則相反。此螺旋槳加入電調控制兩個螺旋槳的轉速以實現轉向。為了實現不同時機的完整運動，設置了兩種控制方式，航模遙控器控制和通過單片機發送PWM信號實行控制。

1.2 存儲系統

為了配合垃圾收集后能順利倒入垃圾儲存箱，選擇將垃圾儲存箱掛在兩浮筒之間，儲存箱是用尼龍材料加工而成，尺寸為長600mm、寬400mm、高560mm。儲存箱為長方體結構，板上有小孔漏空，可過濾垃圾攜帶的水分。

1.3 收集系統

整個收集系統由收集機構、絲杠升降機構和齒輪旋轉機構組成。收集機構可進行長度伸縮和上下傾斜角度調節。絲杠升降機構可以使收集機構進行上下滑動。齒輪旋轉機構可使整個收集機構進行180°旋轉。這樣的設計可以使收集系統更加的靈活，提高收集效率。

收集機構是以X型桿機構為主體，由爪子、軸承、旋轉軸等配合設計而成。X型桿機構的材質為鋁合金，由12個X型桿、4個b桿組合體和2個c桿組成。X型桿由兩個帶孔桿件通過鉚釘連接構成[2]，左右臂各有6個X型桿。X型桿與b桿之間通過c桿連接。由于直接控制X型桿伸縮比較復雜，于是設計一對爪子，一端與X型桿相連，另一端固定在旋轉軸上。這樣復雜的X型桿機構的伸縮運動可轉化為調節爪子開合角度。X型桿機構最短可收縮至450mm，最多能伸長至800mm。同時爪子可以通過軸承繞旋轉軸旋轉調節X型桿機構的傾斜調度。尋找垃圾時，將X型桿機構收縮至最短能減少阻力，從而加快裝置的運動速度也就是尋找垃圾的效率。

絲杠升降機構由絲杠、導軌、滑塊等組成。為使收集機構能順利收集垃圾且能根據實際情況在合適的高度收集垃圾，設置一個外伸桿和連接板將收集機構與絲杠升降機構上的滑塊連接。當滑塊相對于絲杠在導軌上運動時，收集機構會隨之上下移動從而進行高度調節。調節高度的范圍是0-700mm。

齒輪旋轉機構由固定底座、圓盤底座、大齒輪、小齒輪，軸承等組成。固定底座與浮筒上的支撐板固定。圓盤底座固定在圓盤上與絲杠升降機構連接固定。當電機驅使小齒輪帶動大齒輪旋轉時，整個絲杠升降機構和收集機構隨之一起旋轉。原則上是可以旋轉360°的，這里根據實際需要我們將電機控制調至180°旋轉。

本裝置將由以上三個機構共同配合運動完成垃圾清理。收集垃圾時，將根據垃圾量、垃圾大小、垃圾形態及垃圾位置等具體情況，通過控制爪子調整收集機構的長度和上下傾斜角度，通過絲杠升降機構調整收集機構的高度，經過實時調整后的X型桿機構可將相應位置絕大多數垃圾納入收集范圍。整個運動過程：X型桿機構略微向下傾斜并沿導軌下降潛入垃圾底部，爪子張合調整X型桿機構長度，隨后再略微向上傾斜，同時X型桿機構沿導軌上升至頂部，此時垃圾已被收集，最后X型桿收集體隨大齒輪旋轉180°至垃圾儲存箱上方，X型桿機構向下傾斜完成垃圾傾倒。整個收集機構都是鏤空的，這使垃圾進入垃圾儲存箱的之前進行了一次漏水，能使收集箱的承載量充分利用。表1收集系統的調整參數。圖2為收集系統的機械結構。

表1 收集系統調整參數

圖2 收集系統機械結構

1.4 控制系統

樹莓派，單片機為核心。通過樹莓派控制視覺部分，單片機通過控制舵機從而控制X型桿收集體、垃圾收集箱、螺旋推進器運動，實現智能一體化[3]。本裝置采用三個步進電機和一個舵機，四個電機都可以通過單片機發送PWM從而控制精確旋轉角度，螺旋推進可以通過單片機控制，單片機發送一定頻率和脈寬范圍的PWM給電調，電調根據脈寬和設置控制電機[4]。螺旋推進器控制基本原理為電機為2216無刷電機，需要配置無刷電調才能啟動，不能直接接電池，電調的頻率為50Hz,脈寬范圍是800us-2200us,中位是1500us，1500us-2200us是電機正轉，800us-1500us是電機反轉。

1.5 視覺系統

采用攝像頭。攝像頭識別垃圾，反饋信息到樹莓派，樹莓派確定垃圾位于水面的位置，反饋給單片機，樹莓派通過串口與單片機IO口通訊，單片機控制船體自動前進并收集垃圾，適用于狹窄水面；或者攝像頭識別垃圾后，反饋信息到通訊設備（手機或者電腦），通過遙控控制船體前進收集垃圾。[2]-[3]

2 工作流程

將各種參數調試好后放入需要清理的水域，兩個螺旋槳推動機器開始巡航，通過攝像頭實時監控水面垃圾情況，反饋信息相關系統。攝像頭識別到垃圾后，通過單片機或者遙控器控制船體向垃圾處前進。[4]收集機構根據垃圾狀態調整自身形態后將垃圾收集并倒入垃圾儲存箱。重復前兩步直至收集箱裝滿或人為停止收集垃圾。返航對垃圾儲存箱垃圾進行分類處理后重新出發清理垃圾。圖3為裝置的工作流程圖。

圖3 工作流程圖

3 結語

在水域環境日益變差和生活質量需要逐漸提高的今天，各景觀水，城鎮河道，小區湖泊等水域的漂浮垃圾急需清理且需要長期維護。該裝置綠色環保、機動靈活、功能齊全、智能化高，十分適合這類水域里的垃圾清理，不僅能長期作業于這些水域完成垃圾清理工作而且裝置外觀尚可具備一定觀賞性。

本裝置的兩大特點：（1）全新的收集機構——以X型桿機構為主體。由收集機構的不同形態對應裝置兩種運動形態：一是快速移動形態：X型桿收縮至最短可減少阻力方便移動，適用于垃圾較少水域，或單純行駛而不收集垃圾時，比如返航；二是聚集垃圾形態：調整X型桿機構長度、傾斜角度和位置高度為適當的形態，便于垃圾清理，提高收集效率。X型桿機構的靈活性足以應對大部分垃圾，無論是在水域邊緣還是狹窄水域都能輕易收集。（2）高度智能化且集兩種作業模式一體。為應對特殊情況，我們設置了兩種作業模式，全自動作業模式和半自動作業模式。全自動作業模式是裝置通過機器視覺和程序指令自主尋找并清理垃圾。半自動模式是人工通過遠程監控操作遙控器使裝置完成垃圾清理。

本裝置在被廣泛使用后，不僅可以優化景觀水，城鎮河道，小區湖泊等水域環境，而且可以解放一部分人工勞動力，提高環境治理的智能化程度。因此，本裝置擁有廣闊的發展前景，具備一定的市場價值和實用價值。