基于路徑規劃技術的沙灘垃圾清理車設計

摘 要：【目的】針對日益嚴重的沙灘垃圾污染以及傳統垃圾清理方式效率低的問題，設計一種基于路徑規劃技術的沙灘垃圾清理車。【方法】所設計的清理車集成了翻動鏟、垃圾傳送帶、圖像傳感器、太陽能板、回收箱和履帶式底盤等結構。圖像傳感器可以識別垃圾位置，并結合蟻群算法規劃最優路徑，提高垃圾收集效率。安裝的太陽能板可以為清理車提供補充能源，延長設備工作時間。為檢驗清理車的底盤結構是否滿足強度要求，使用SolidWorks軟件進行有限元分析。【結果】有限元計算結果顯示，所設計的底盤結構合理，強度滿足使用要求。【結論】所設計的沙灘垃圾清理車在垃圾精準識別、路徑合理規劃和節能環保等方面具有顯著的創新意義和應用潛力，為今后沙灘垃圾清理裝置的研發和設計提供借鑒。

關鍵詞：沙灘垃圾清理車；圖像傳感器；路徑規劃；太陽能板

中圖分類號：TH137.5" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）20-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.010

Design of Beach Garbage Cleaning Vehicle Based on Path Planning Technology

Abstract： [Purposes] Aiming at the increasingly serious pollution of beach garbage and the inefficiency of traditional garbage cleaning methods， a beach garbage cleaning vehicle based on path planning technology is designed. [Methods] The designed cleaning vehicle integrates the structure of turning shovel， garbage conveyor belt， image sensor， solar panel， recycling box and crawler chassis. Image sensor can identify the location of garbage， and combine with ant colony algorithm to plan the optimal path to improve the efficiency of garbage collection. The installed solar panels can provide supplementary energy for the cleaning vehicle and extend the working time of the equipment. In order to test whether the chassis structure of the cleaning vehicle meets the strength requirements， the finite element analysis is carried out by SolidWorks software. [Findings] The results of finite element calculation show that the designed chassis structure is reasonable and the strength meets the requirements of use. [Conclusions] The designed beach garbage cleaning vehicle has remarkable innovative significance and application potential in the aspects of accurate garbage identification， reasonable path planning， energy saving and environmental protection， which provides reference for the research and development and design of beach garbage cleaning devices in the future.

Keywords： beach garbage cleaning vehicle; image sensor; path planning; solar panel

0 引言

由于旅游業快速發展，各地沙灘都吸引了大量游客，導致沙灘垃圾不斷增加，污染問題日益嚴重［1］。沙灘垃圾流入海洋會破壞海洋原有的生態平衡，威脅海洋動植物的生存。研究表明，海鳥、海洋魚類、海龜等海洋動物受到垃圾影響的數量已從67種增加到693種［2］。如何快速高效地清理沙灘垃圾，已成為當前世界面臨的一大難題。

為有效解決沙灘垃圾帶來的污染問題，相關學者提出了一系列沙灘垃圾清理設計理念。吳東軍等［3］設計了一種沙灘清理車，采用鏟沙機構和篩分機構實現了垃圾收集問題。王金蓮等［4］利用攝像頭成像技術并結合Opencv算法快速定位沙灘垃圾位置，實現了沙灘垃圾處理機的智能清理垃圾功能。張俊琦［5］基于視覺識別系統設計了一款垃圾清理裝置，通過合理規劃清理路徑，提高了沙灘垃圾清理效率。

為提高沙灘垃圾清理效率，本研究擬設計一款具有視覺識別功能的履帶式沙灘垃圾清理車。該裝置可以快速識別沙灘垃圾并規劃出最優路徑，從而實現沙灘垃圾的快速清理功能。

1 工作原理

沙灘垃圾清理車通過高分辨率圖像傳感器捕捉沙灘圖像信息，結合地形數據、障礙物方位和垃圾分布位置，基于蟻群算法實時生成最優路線。清理車可以完成實時避障和自主導航功能，確保清理工作的安全與高效［6］。清理車安裝有光伏發電裝置，該裝置由多晶硅太陽能電池板、鋰離子電池、電源管理系統和最大功率點跟蹤控制器等組成。光伏發電裝置將太陽能轉化為電能，通過控制器實現最大功率輸出，再通過電源管理系統對電能進行存儲和分配，以補充設備的電力供應［7］。清理車通過翻動鏟收集垃圾，并利用傳送帶將收集到的垃圾輸送至車載式回收箱中。當回收箱裝滿垃圾后，清理車將返回指定地點進行垃圾卸載。

2 裝置設計方案

2.1 裝置結構設計

沙灘垃圾清理車由翻動鏟、傳送帶、圖像傳感器、太陽能板、回收箱和履帶式底盤等組成，其整體結構如圖1所示。清理車通過圖像傳感器采集沙灘環境溫度、前方障礙物、電源電量等信息并進行數據處理，從而規劃出合理的垃圾清理路徑，提高設備的垃圾清理效率。

2.2 翻動鏟及垃圾傳送帶結構設計

翻動鏟采用合金鋼材質，并設計了寬大且具有弧度的鏟面。鏟面中間設計了供泥沙通過的縫隙，防止泥沙在鏟頭堆積，影響清理效率。因此，該裝置可以有效應對各類沙灘垃圾。

傳送帶采用橡膠材質，具有耐磨和耐腐蝕特性，能夠適應海水環境。傳送帶表面設計有隔板，可以防止垃圾在傳輸過程中掉落。

2.3 路徑規劃設計

沙灘垃圾清理車裝配了視覺傳感器，能夠實時采集沙灘上垃圾的分布位置，并進行地形和障礙物的數據分析。通過識別和檢測具體目標，將圖像信息傳遞給控制模塊，進行圖像的分割、識別、融合，進而構建全景地圖。

為提高垃圾搜尋和清理效率，采用蟻群算法規劃路徑，其路徑規劃流程如圖2所示。具體如下，螞蟻開始搜索路徑，統計每只螞蟻經過的路徑，更新禁忌素表，從而判斷螞蟻是否完成了搜索。搜索完成后更新禁忌素，檢查終止條件。如果不符合條件，則重新計算；如果符合條件，則持續迭代到最大次數。算法執行結束后，輸出最終結果。蟻群算法通過增加蟻群的數量，讓它們通過不同的路徑，記錄不同路徑上積累的信息素，從而得出最優路徑。這使得清潔車能夠規劃出最優路徑，同時該算法擁有較強的魯棒性，不易受到外界影響，可以按照該路徑逐一收集垃圾。這樣的操作將有效縮短清理車的運行距離，顯著提高垃圾清理效率。

2.4 太陽能模塊設計

太陽能模塊由多晶硅太陽能電池板和鋰電池等組成。由于光能源轉換率僅有20%左右且不穩定，因此采用控制芯片進行降壓處理。傳感器將電壓信號傳輸到控制中心，以便及時做出調控，確保工作的正常進行［8］。傳感器還收集環境光照強度及電池電量情況，并傳輸至控制中心。根據預設程序或人工遙控，為沙灘清理車提供電能，達到節能環保和延長工作時間的目的。太陽能模塊的工作流程見圖3。

2.5 履帶式底盤設計

該沙灘清理車底盤安裝有履帶，以提高了其運行速度。為確保清理車的平穩運行，底盤上安裝了一個穩定性良好的整體式機架，并將引導輪、支重輪和電源等部件安裝在機架上。機架的連接梁有助于提高整體結構的強度，而轉動梁則使機架能夠實現擺動，減少應力集中現象［9］。在底盤尾部，安裝有一個大容量的垃圾回收箱。沙灘清理車的履帶底盤結構模型如圖4所示。

3 有限元分析評估

沙灘垃圾清理車底盤是重要的載荷部件，其強度大小直接影響設備的載重和運行效果。采用SolidWorks軟件對底盤進行有限元分析，以判斷其結構設計是否滿足使用要求。通過施加載荷，可以得到底盤的應力和變形數據，以便于全面分析部件強度［10］。

底盤選用合金鋼材料，彈性模量為2.1e+08 N/m2，抗剪模量為7.9e+10 N/m2，泊松比為0.28，材料密度為7 700 kg/m3。底盤采用中等密度進行網格劃分，如圖5所示。

由圖5可知，網格雅可比點數為16，網格的單元總數為8 773，節總數為18 126，最大單元極限和最小單元大小分別為31.818 5 mm和10.606 1 mm。對底盤施加100 N的載荷，運行“SolidWorks Simulation”插件進行運算求解。底盤靜力學計算結果如圖6所示。

由圖6可知，底盤所受最大應力為2.087 44e+05 N/m2，屈服應力為6.204 22e+08 N/m2，最大位移量為0.016 mm。由此可見，底盤的最大應力數值與最大位移量均在其許用范圍內，滿足使用標準。

4 結語

為了提高沙灘垃圾清理效率，本研究設計了一款基于視覺識別技術的沙灘垃圾清理車。該沙灘垃圾清理車采用履帶式驅動底盤和太陽能光伏系統，可以高效率、低成本、自動化地清理沙灘垃圾。所設計的視覺識別系統結合蟻群算法能夠快速識別垃圾位置并規劃清理車的運行路徑，從而提高沙灘垃圾清理的效率。為了檢驗底盤是否滿足強度要求，對底盤進行了有限元分析。利用“SolidWorks Simulation”插件，計算得到了底盤的應力和位移云圖。計算結果表明，底盤的應力和位移值均在許用范圍內，符合設計標準。本研究為未來沙灘垃圾清理提供了切實可行的解決方案，對保護海洋環境和減少環境污染具有重要意義。

參考文獻：

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