基于Arduino的水上垃圾回收機器人控制系統設計

摘要：通過對國內水上垃圾回收問題的研究發現，現有的水上垃圾清理船大多體積龐大且依靠燃油驅動，不僅運行能耗大、維護成本高，還會給水源帶來其他污染，有些清理船雖然個頭小但垃圾的回收效果卻不太理想。為了解決這些問題，文章設計了一種基于Arduino的水上垃圾回收機器人控制系統，該機器人可以通過無線通信、電機控制、傳感器等多種方式，實現對水面垃圾的快速、準確的檢測、收集、運行和定位。該系統操作方便，成本低廉，為現有水上垃圾回收機器人的設計方案提供了一種新的思路。

關鍵詞：Arduino；水上垃圾回收機器人；無線控制

中圖分類號：TP242;TP39文獻標志碼：A

0 引言

隨著環境污染的加劇，許多城市的河流、風景區的人工湖泊受到了嚴重的破壞，塑料漂浮物、樹枝碎片等物質混入其中，使人們的生活受到很大影響。目前，國內的城市和湖泊中一些小水體清潔作業主要通過工人駕駛機動或非機動船打撈水面垃圾，這種方式效率低下，且由于工人長時間在水上工作，存在很大的安全隱患。為解決這些問題，本文設計了一種結合AI視覺的太陽能水上垃圾收集機器人。該機器體積較小，可以自動識別和追蹤水上的漂浮垃圾，無需人工控制，在改善生態環境的同時，能很好地適應河流、湖泊等靜水區的使用。

1 系統硬件設計

當前，機器人的控制系統主要依賴于電子技術。本文將介紹一種基于Arduino的水上垃圾回收機器人的控制技術。該機器人的關鍵部分包括：Arduino控制單元、收集裝置、電源模塊、無線控制模塊、識別模塊和動力驅動單元。其中，動力部分采用水下推進器；收集裝置主要由ULN2003APG驅動芯片、步進電機以及裝有勾臂的傳動帶組成；自動控制部分則由紅外光電感應器、超聲波傳感器及OV7670攝像機等設備組成；而無線控制部分則由Android設備以及無線網絡接收器等組成。系統結構，如圖1所示［1］。

1.1 Arduino控制器

本文采用Arduino Mega 2560作為控制器。Arduino作為一個完全開放了源碼的電子平臺，在其開源協議允許下可以隨意進行修改和設計。同時，這款控制器擁有相對靈活、易于操作的軟件和硬件，可以提供更多的I/O接口，連接更多的傳感器模塊，進一步保證水上垃圾回收機器人運行的穩定性和反應的及時性。

1.2 檢測識別模塊

本文采用了帶有FIFO的OV7670攝像頭模塊，此模組體積較小、工作電壓低，還可以提供影像處理器與單片VGA攝像頭的全部功能。同時，FIFO的存儲速度非常快，可以大量快速儲存機器人拍攝的照片，方便CPU將獲得的照片數據慢慢取出并進行分析，大大提高整個系統的運行速度［2］。

1.3 驅動芯片

收集裝置選用步進電機來驅動傳送帶收集水面漂浮垃圾，可以很便利的將垃圾和水分離。同時，選用最常見的ULN2003APG驅動芯片來作為步進電機的驅動芯片，這款芯片擁有一個高效的連接器，能夠精確地與電動機的電線相匹配，使得電動機能夠輕松地安裝在板上。此外，4個LED燈也被安裝在4根控制輸入線上，為步進狀態提供指引，使整個系統更加高效、穩定。輸入某一相電流為高電平時相對應相的LED指示燈變亮，使其在運行時不僅可以提供一個良好的視覺效果，還帶有一個ON/OFF的跳線來隔離步進電機的電源。該芯片驅動步進電機原理，如圖2所示。

1.4 紅外光電傳感器

本文選用E18-D80NK光電傳感器來監測艙體內垃圾的存儲量。這種光電傳感器具備發出和接收信號的功能，由接收器、發射器以及相應的檢測電路組成，具有極高的探測距離，而且可以抵抗大量的可見光，操作方便，價格實惠。

1.5 超聲波測距模塊

由于超聲波具有頻率高、方向性固定等特點，所以本文選用HC-SR04超聲波測距模塊來進行機器人前進方向上障礙物的檢測。HC-SR04模塊能夠將超音頻信號傳輸至目標物體。當它碰到障礙物時，會被反射回來，并由其他端口接收。利用這些信號的傳輸時間差，就能夠根據相應的公式來估算出機器和目標物體的距離。此傳感器能夠自動檢測是否有信號傳回，只要是在有效的檢測范圍內就可以自己進行障礙物的鎖定，無需人工進行調整，而且該模塊擁有性能穩定、測度距離精確、抗環境干擾能力強的特點［3］。

1.6 電池模塊

性能良好的電池模組可以更好地保障水上垃圾回收機器人的正常運行，電池采用的是磷酸鋰鐵電池。該電池具有低電阻和良好的電化學性能，擁有高額定電流、良好的熱穩定性和較長的使用壽命；對充電條件的耐受性強，與其他鋰離子電池相比應力更小；且能量密度大，可以更好地保障機器人的運行。在船體的上部放置太陽能板能更好地增強機器人的續航能力。

1.7 動力驅動模塊

機器人動力驅動模塊除了要能實現機器人的正常水上前進，還需要解決機器人水上的轉向問題。本文采用2個T200水下推進器安裝在機器人的后方，保證其推力能正常推進。同時，將2個T200水下推進器連接至2個電機上，電機連接Arduino控制器，從而能單獨控制單個推進器的轉速。因此當控制一側的推進器轉速小，一側推進器轉速大，即可實現機器人向轉速小的一側轉向，從而實現轉向功能。

1.8 無線控制模塊

該系統主要由Android設備和無線網絡接收器組成，通過地圖軟件進行工作區域的劃定后，Android控制設備通過網絡向機器人發送命令，機器人接收到信號經過處理反饋后，根據指令在相應的工作區域開始作業。這種操作方法簡單便捷，十分容易上手。

2 系統軟件設計

該控制系統主要由動力驅動系統、自動收集系統、檢測回收系統及自動檢測系統4部分組成。這4部分相互協調、分工合作來實現機器人對垃圾的精準識別和收集工作。

在開機工作后，機器人首先進行自檢工作，包括剩余電量、驅動系統正常與否以及垃圾存量等。如果在某一方面出現問題，機器人會向Android手機控制端發送相應的警告提示。在人工解決后，自檢系統未發現問題后，機器人才會啟動在并指定水域內進行自動巡航。在自動巡航時，攝像頭會在前進方向上檢測是否存在垃圾，如果存在垃圾，機器人會像垃圾方向前進，在接近垃圾后啟動收集裝置將垃圾收集進艙體內。當垃圾檢測裝置檢測到艙體內垃圾過多或者電量不足時，機器人會自主規劃最佳返航路線并向控制端發送警告提示。

2.1 啟動自檢系統

在機器人開機工作后，系統會進行一次啟動自檢工作，會對機器本身的剩余電量、艙體垃圾存量、驅動裝置、識別模塊以及回收裝置等進行一次流程檢測，在確保各裝置可以正常工作后，根據控制端發布的命令，自動規劃巡航路線。該系統的設計流程，如圖3所示。

2.2 巡航收集系統

該系統由OV7670攝像頭模塊、ULN2003APG驅動芯片、步進電機和特殊設計的傳送帶組成，能夠自動識別水域中的漂浮垃圾，并在發現目標物品后，控制板會控制驅動系統朝垃圾方向移動，等待接近垃圾時，控制板會控制步進電機，將垃圾傳送到艙體內，從而實現垃圾的有效回收［1］。巡航回收系統設計流程，如圖4所示。

3 結語

本文介紹了一種基于Arduino控制器的水上垃圾回收機器人的控制系統。該系統由步進電機、OV7670攝像頭模塊、HC-SR04超聲波傳感器、ULN2003APG驅動芯片、E18-D80NK紅外光電傳感器等元件構成，使機器人具有自動巡航、自動識別、垃圾收集、自動檢測的功能，功能齊全，操作簡單方便，適用于城市河道與景區湖泊等水域的應用。該機器人能夠改善人們所處生活環境的水污染問題，減少水上的垃圾，而且符合現在的環保理念，具有極高的市場應用價值與廣泛的推廣前景。

參考文獻

［1］陳利，饒闖，侍中樓.基于Arduino的小型水上清潔機器人的控制［J］.科學技術創新，2021（21）：89-92.

［2］楊榮，王明偉，劉思銘.基于圖像處理算法的目標識別、定位與跟蹤系統設計與實現［J］.物聯網技術，2020（9）：75-79.

［3］郭宇，徐建軍，趙河明，等.基于Arduino控制器的智能垃圾桶設計［J］.兵工自動化，2018（3）：36-38.

Design of control system for underwater garbage recycling robot based on Arduino

LiangChao1， LiuZhitao1， YuXinbei1， SunBin1， NiXiaoyu1，2*

（1.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China; 2.Zhangjiakou Special Equipment Intelligent

Monitoring Operation and Maintenance Technology Innovation Center， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：Through the research on domestic water garbage recycling， it is found that most of the existing water garbage cleaning boats are huge and driven by fuel， which not only consumes a lot of energy and costs a lot of maintenance， but also brings other pollution to the water source. Although some cleaning boats are small， the garbage recycling effect is not ideal. In order to solve these problems， this paper designs a control system for a water waste recycling robot based on Arduino. The robot can achieve fast and accurate detection， collection， operation， and positioning of water waste through various methods such as wireless communication， motor control， and sensors. This system is easy to operate and cost-effective， providing a new approach for the design of existing water waste recycling robots.

Key words： Arduino; underwater garbage recycling robot; wireless control