趙志敏　李保菊　劉先淼

【摘 要】“先污染后治理，邊治理邊污染”的發(fā)展方式使得我們國家的環(huán)境問題并不樂觀，其中水面污染的清理問題一直難以解決。為此我們利用APM2.8開源控制模塊設(shè)計了一條能自主清理水面垃圾的新型三體垃圾清理船，在此基礎(chǔ)上還加入了圖像傳輸系統(tǒng)和2.4G手動遙控系統(tǒng)，以便應(yīng)對突發(fā)情況。

【關(guān)鍵詞】水面垃圾清理；三體船；智能化；高效；控制

中圖分類號： TP273；X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.039

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，過去未被重視的一種水域環(huán)境污染——水面垃圾污染也是越來越嚴(yán)重。迅速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程、旅游業(yè)的發(fā)展、民眾環(huán)保意識的淡薄等因素導(dǎo)致了這些廢棄物的產(chǎn)生，使得江河、湖泊和港口，甚至近海的水面飄浮垃圾的污染日益嚴(yán)重，尤其是水流經(jīng)城鎮(zhèn)生活區(qū)域的河流段，其污染治理及控制亟待加強(qiáng)。

經(jīng)過調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的水面垃圾為人工打撈和人工駕駛清理船清理兩種，不僅效率低下，還有一定的危險性。在智能化飛速發(fā)展的今天，我們完全可以設(shè)計一條智能化的船只，規(guī)劃運(yùn)行路線，使其具備自動巡航功能，并重新設(shè)計外形來提高效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

隨著英國首先提出三體船的概念，這種船型在正不斷地被證明它所具有的優(yōu)勢，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用到軍事之中，與單體船相比，三體設(shè)計具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的適航穩(wěn)定性和更出色的操縱性，在中高速時較單體船可節(jié)省有效功率15%-20%，既然有如此優(yōu)勢，那我們?yōu)槭裁床豢梢詫⑺玫矫裆?dāng)中呢？在此啟發(fā)下，我們設(shè)計了一款智能化的三體垃圾清理船（圖一），兩側(cè)副船搭載螺旋槳驅(qū)動電機(jī)、傳送帶驅(qū)動電機(jī)和電子調(diào)速器。主船與副船連接的甲板各有一個攝像頭，用來實時監(jiān)控水面狀況，主船搭載APM2.8主控模塊、GPS、5.8G 40ch的無線圖像傳輸模塊、WFR07S 2.4G接收機(jī)和多視角視頻切換開關(guān)，甲板下為垃圾收集傳送裝置，在傳送帶電機(jī)的帶動下，將垃圾傳送至船尾的垃圾收集箱。

2 硬件結(jié)構(gòu)及電路原理

1）APM2.8控制器硬件結(jié)構(gòu)：MCU為愛特梅爾（Atmel）的8bit ATMEGA2560，三軸陀螺儀和三周加速度計型號為MPU6000，空氣壓力傳感器 MS-5611，16MB的 AT45DB161D 存儲器，三軸磁力計型號為HMC5883，支持8路PWM控制輸入及11 路模擬傳感器輸入，GPS模塊 MTK 3329 及支持 ublox輸出的 NEO-6M、7M、LEA-6H，通過I2C接口將羅盤外接。

2）圖像傳輸系統(tǒng)

（1）TS832發(fā)射機(jī)頻率/頻道數(shù)量：32個頻率

輸出功率：600MW

傳輸距離：最小4KM的視線

頻率控制：內(nèi)置頻率鎖相環(huán)

AV輸入：模擬AV信號輸入

ANT接口：SMA（針里面）

電源：DC7-12V

（2）RC832接收頻率： 32個頻率

接收靈敏度：-90dBm

工作頻率控制：內(nèi)置頻率和相位鎖定回路

雙線AV輸出：模擬的AV信號輸出

天線連接器：SMA（針里面）

電源電壓：DC7-12V

APM2.8控制器軟件結(jié)構(gòu)：APM2.8控制系統(tǒng)作為一款完全開源的模塊，利用Mission Planner軟件，可以進(jìn)行對APM2.8模塊的固件燒寫、參數(shù)調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)傳輸。

在 APM 控制系統(tǒng)中，采用的是兩級PID 控制，第一級是導(dǎo)航級，第二級是控制級。導(dǎo)航級先確定船只的行駛路線，以及所需要的轉(zhuǎn)彎角度，通過內(nèi)部算法給出目標(biāo)需要執(zhí)行的各個數(shù)據(jù)，再交給下一級的控制級控制?？刂萍壗邮諏?dǎo)航級發(fā)送的行駛路線數(shù)據(jù)，并采集船只目前位置信息，通過內(nèi)部姿態(tài)解算，計算出用于實時控制電機(jī)運(yùn)動的 PWM 脈沖信號，調(diào)整轉(zhuǎn)向角度，使船只按照預(yù)定的軌跡路徑進(jìn)行行駛。

有刷電調(diào)是將控制器的PWM信號轉(zhuǎn)化為電流大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 設(shè)計優(yōu)勢創(chuàng)新點(diǎn)

這種新型水面漂浮物垃圾清理船與傳統(tǒng)的人工打撈和人工開船打撈相比，智能化程度高，可以在無人為干擾的情況下自動完成對水面漂浮垃圾的巡航清理。操作簡單，不需要具備開船知識，緊急情況通過遙控即可完成相關(guān)動作；雙槳推動，轉(zhuǎn)彎半徑更小，能在小水域進(jìn)行工作，其次空間大，能耗小，效率高，更為安全都是傳統(tǒng)清理方式無法相比的。

4 結(jié)論

隨著信息化社會的飛速發(fā)展，小到掃地機(jī)器人，大到一條生產(chǎn)線，智能化早已進(jìn)入各行各業(yè)，環(huán)境的治理也越來越注重智能化，而水面垃圾的治理仍停留在人工打撈階段。此設(shè)計為基于APM2.8系統(tǒng)的水面漂浮物三體垃圾清理船，將水面垃圾清理與智能控制相結(jié)合，可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)清理方式從而實現(xiàn)無人化的高效打撈。

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