王加浩 解彤 張文蘭 范亞瓊 張亞莉

摘 要：該機器人從現(xiàn)今嚴峻的水面漂浮垃圾污染狀況中獲得啟發(fā)，設計用于自動打撈垃圾并收集垃圾。機器人主體結構采用雙船體桁梁架結構，機器人的動力與轉向采用舵槳一體化設計，垃圾打撈部分則是利用升降桿聯(lián)動裝置。本設計融入了無線遙感技術、圖像采集和視頻傳輸技術與行程自動導航控制技術。該機器人打撈裝置與目前現(xiàn)存的打撈設備不同，其創(chuàng)新點主要是基于流體渦旋向心吸力原理，該打撈方式增大了船體幅域打撈面積并可以360度無死角打撈，能夠達到節(jié)約資源、保護環(huán)境、優(yōu)化資源配置和節(jié)能減排的效果。

關鍵詞：舵槳一體化 遠程操控 流體渦旋 節(jié)能減排

中圖分類號：TP873 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0095-02

1 研制背景及意義

江河湖海的漂浮垃圾的污染日益嚴重。目前市場上垃圾打撈船大都是大型船舶機械，主要用于大面積大范圍的水面垃圾收集，其結構復雜、體積龐大、價格昂貴而且需要專業(yè)人士進行操作，并且不適應于城市內河、旅游景區(qū)河流、水庫和一些平靜的狹長水域，目前這些水域的垃圾打撈大多數(shù)是采用人工駕駛小船進行人工打撈的形式，這種方式勞動強度大，工作效率低，周期長，不安全，且受環(huán)境氣候等的影響較嚴重。

2 機器人主體結構設計

機器人主體結構設計見圖1。

雙體船的衍架結構：機器人主體的設計采用了雙船體結構，有兩個平行而分開的浮體，浮體是普通的上寬下窄船體結構，頂部用一個帶內部設施的連接結構（采用兩個雙片橫向衍架梁）連在一起。連接結構內部裝有船的各種設施，包括電動機、電池以及電路板和控制裝置，中間連有橫向衍架梁，具有很高的抗彎和抗扭剛度。

機器人采用雙船體優(yōu)點：集合了傳統(tǒng)船體及雙體船的優(yōu)點，具有平穩(wěn)性高，相同水域范圍內排水量大，船體轉向靈活等優(yōu)點，很好地解決了內河因水域狹窄收集帶來的種種收集困難，雙船體總寬度較大，因此具有更大的甲板面積和艙室容積，機器人主體在水面上不容易左右搖晃，穩(wěn)定性好。將單一船體分成兩個，可以使船體更瘦長，減小阻力與行駛時產生的波浪，機動性能好。

2.1 動力裝置

水面運動采用雙螺旋槳來驅動，不需要轉向舵，依靠每個螺旋槳的轉換角度進行轉向。此設計即為舵槳一體化設計。雙螺旋槳使機器人水上運動的速度與動力更強，機動性能更好，舵槳一體化節(jié)約設計的成本。

2.2 打撈裝置

打撈裝置主要由垃圾收集桶、過濾網狀傳送帶、傳送帶步進電機、潛水泵、電動推桿垃圾儲存?zhèn)}等六部分組成。

3 打撈原理

其主要創(chuàng)新點在于對水面懸浮物的自動匯聚，主要是基于流體渦旋向心吸力原理：根據(jù)渦速度矩守恒原理，渦旋的旋轉圓周速度與渦流半徑成反比，即靠近渦流中心半徑越小的位置，流體的流動速率越大，根據(jù)伯努利方程，其相對壓強就越小，這樣就沿渦旋徑向上就產生了壓差，在與大氣接觸的環(huán)境下，表現(xiàn)為下凹的二次曲線型式的自由曲面。下吸旋渦產生的向心吸力，使得流體攜帶渦旋區(qū)域水面懸浮物螺旋向心向下流動，從而實現(xiàn)對機器人附近一定水域內的水面垃圾進行360度無死角打撈。

在垃圾桶底下安裝潛水泵，通過抽水泵將收集到的暫時儲存到桶里水排放到河海中，在打撈裝置內部通過過濾網傳送帶實現(xiàn)垃圾與水的分離和垃圾從打撈桶到垃圾倉的輸送，打撈桶底部的潛水泵將實現(xiàn)對水的不斷循環(huán)，不斷地提供渦旋向心吸力，實現(xiàn)垃圾打撈的連續(xù)過程。

4 機器人能源供給

機器人采用光能+蓄電池的供能模式。動力來源于大容量電池、太陽能發(fā)電混合電源系統(tǒng)，解決了一般性水面機器人長時間持續(xù)巡航的動力問題。

5 超級電容與太陽能電池板的協(xié)調工作

光伏電池陣列作為系統(tǒng)的電源，具有較軟的外特性，容易受到環(huán)境溫度、日照強度、負載工況等因素的影響。因此系統(tǒng)在光伏電池與直流母線間加入單DC/DC環(huán)節(jié)，對光伏電池的輸出電能進行控制，實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤。

超級電容通過雙向DC/DC與直流母線相連，對負載進行供電。通過對雙向DC/DC的控制，超級電容可以吸收富余的光伏電池輸出電能，釋放負載所需的能量。超級電容在系統(tǒng)中具有如下三大功能。

（1）作為能量存儲裝置，在太陽能供電不足時向負載供電，在太陽能供電富余時吸收、存儲多余的能量。

（2）作為濾波器，對光伏電池輸出的不穩(wěn)定的電能進行濾波，輸出穩(wěn)定的電能。

（3）與光伏陣列及單向DC/DC相配合，實現(xiàn)MPPT在太陽能垃圾清理小船電氣系統(tǒng)中，負載的功率變化在某些工況下的變化較大，因此在系統(tǒng)中引入一個并聯(lián)電容環(huán)節(jié)，當負載功率突變時，并聯(lián)電容可以及時地支撐負載的穩(wěn)定運行。

6 流量的閉環(huán)控制

根據(jù)機器人初步模型尺寸設計，船體長650mm，寬450mm，高320mm；其中船艙設計為長350mm，寬340mm，高200mm；入水口的寬度設計為330mm；初步確定入水口截面高度為（15±5）mm；假設水流向入水口的平均速度為100mm/s。所以確定設計流量、為：

由以上確定的設計流量，利用最小二乘法從數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)用MATLAB擬合出水泵性能曲線和管道特性曲線，計算出設計揚程H設。除此之外，考慮到水泵的出水口在船體底部，為了使機器人小船能夠在水面上穩(wěn)定性更好，盡量選擇揚程較小的水泵，減少水泵的出水對船體的影響。

綜合以上因素，選擇能達到水面垃圾清理機器人的要求的水泵為：ZQB6X8-12型號水泵，額定功率：120W，額定流量：2m3/h，額定揚程：4m。

參考文獻

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