農(nóng)建成，樊偉光，楊奇衡，付 彤，吳憲雨，陳興文

(大連民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

針對大型清理裝置存在船體的體積較大、排水量大、船上有人駕駛、運(yùn)行成本高、不適合小型水域作業(yè)的缺點(diǎn)，本裝置設(shè)計(jì)需從以下幾個(gè)方面考慮設(shè)計(jì)需求[1]：

1) 小型水域水面的垃圾漂浮物種類多而且重量輕、體積偏小，易受外界影響產(chǎn)生漂移，如飲料瓶、塑料袋、煙盒、泡沫、樹葉等。

2) 能夠適應(yīng)多種水域作業(yè)，特別是水面較窄或水深較淺及多彎水域，要求裝置體積小、行駛靈活；同時(shí)要做到成本低、續(xù)航長和防水保護(hù)好，便于攜帶和維護(hù)特點(diǎn)。

3) 要考慮對水草纏繞影響裝置作業(yè)的問題，設(shè)計(jì)脫離纏繞并且順利返航功能。裝置必須能在一定程度上解決水草纏繞問題。

4) 在裝置體積和動(dòng)力的限制條件下，盡可能地提高收集效率，要避免油污清理的二次污染情況的發(fā)生。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

水面垃圾清理裝置由電氣控制和機(jī)械執(zhí)行兩部分組成。機(jī)械執(zhí)行部分主要指水面垃圾與油污收集傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電氣控制包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，這里將水中船體定義為下位機(jī)，主要由STM32單片機(jī)、WiFi模塊、USB數(shù)字?jǐn)z像頭UVC500(攝像頭是利用內(nèi)部集成電路直接將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)傳送到電腦上,只要處理器的響應(yīng)速度足夠快,CCD捕捉到的圖像信號(hào)就可以通過信號(hào)傳輸以達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的動(dòng)態(tài)效果)、舵機(jī)云臺(tái)、超聲波避障模塊、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊構(gòu)成；上位機(jī)編寫Android應(yīng)用程序，用于控制清理器運(yùn)動(dòng)及實(shí)時(shí)顯示水面情況。上下位機(jī)通過WiFi無線通訊，具有視頻實(shí)時(shí)傳輸、顯示和自動(dòng)避障等功能。清理裝置的動(dòng)力采用環(huán)保的鋰電池，通過直流電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳使清理器運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的控制采用PID算法控制。清理裝置的電氣控制部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從電氣結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，系統(tǒng)采用WiFi無線通訊方式，可以實(shí)現(xiàn)水陸通訊和控制信息傳輸，能夠解決無人駕駛并可以實(shí)時(shí)顯示水面作業(yè)和運(yùn)行狀況；下位機(jī)安裝避障模塊，能夠自動(dòng)躲避水面上的障礙物，防止碰撞，保障行駛過程穩(wěn)定；下位機(jī)系統(tǒng)CPU采用STM32，具有良好的可擴(kuò)展；上位機(jī)采用手機(jī)作為監(jiān)控終端具有較強(qiáng)的通用性和較高的性價(jià)比，符合當(dāng)今智能系統(tǒng)開發(fā)的主流趨勢。

圖1 清理裝置的電氣控制部分結(jié)構(gòu)框圖

3 電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)通信與水面作業(yè)圖像采集

水陸兩端數(shù)據(jù)通信以WiFi模塊作為信息收發(fā)轉(zhuǎn)送中心，通過手機(jī)端將特定的數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器，將路由器與STM32單片機(jī)串口相連，就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的串行通信。USB數(shù)字?jǐn)z像頭UVC500與WiFi模塊相連，通過手機(jī)端啟動(dòng)WiFi就可以實(shí)時(shí)顯示水面作業(yè)的情況。為了使水面圖像采集的視野更開闊，在其下安裝舵機(jī)云臺(tái)，舵機(jī)云臺(tái)通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與下位機(jī)的單片機(jī)連接，手機(jī)端對舵機(jī)控制通過WiFi模塊向下位機(jī)發(fā)送指令，下位單片機(jī)輸出PWM信號(hào)變化來控制舵機(jī)的角度變化[2]。

3.2 超聲波避障模塊

為了使清理器能夠自動(dòng)避開水面上障礙物，裝配了一對超聲波避障傳感器，并在其下安裝舵機(jī)云臺(tái)，舵機(jī)云臺(tái)通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與下位機(jī)的單片機(jī)連接，在清理器行進(jìn)的過程中舵機(jī)云臺(tái)反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)超聲波不斷識(shí)別障礙物。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，反射的超聲信號(hào)被接收模塊接收，通過接口將信號(hào)輸入單片機(jī)，由單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)避障。

3.3 電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式采用脈沖寬度調(diào)制PWM，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N，單片機(jī)輸出PWM調(diào)速信號(hào)至L298N，可實(shí)現(xiàn)兩組直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)控制信號(hào)可以由上位機(jī)發(fā)送指令也可以在自主行駛狀態(tài)下，單片機(jī)自主發(fā)出。利用PWM信號(hào)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，來實(shí)現(xiàn)船體的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向。以上各模塊接口電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各模塊接口電路

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 船體設(shè)計(jì)

船體采用雙浮箱對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2個(gè)浮箱對稱安裝在船體兩側(cè)，并用鋁制框架將其連接和固定。這樣可以在中間部位留下足夠的空間安裝垃圾收集艙，在總體積一定的情況下有效擴(kuò)大艙體空間，使垃圾收集艙體的空間占到總體積的1/2。浮箱外殼為壁厚為0.1 mm的塑料材質(zhì)圓管中間填質(zhì)輕、浮力大的泡沫，既減輕了裝置質(zhì)量又增大了船體浮力。垃圾收集艙體放置于船體的鋁框架內(nèi)，采用可抽拉式設(shè)計(jì)，便于垃圾的清理，同時(shí)收集艙底部采用紗網(wǎng)，有利于在垃圾入艙體作業(yè)時(shí)保障船體的質(zhì)量和重心分布的不改變。船體總體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 船體總體結(jié)構(gòu)圖

4.2 水面油污收集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水面油污收集是通過水泵將油污水抽取到油水分離缸中進(jìn)行多級(jí)分離來完成的。油水分離系統(tǒng)是由4個(gè)分離缸組成，即油水混合進(jìn)口缸、第一級(jí)油水分離缸，第二級(jí)油水分離缸，第三級(jí)油水分離缸(出水缸)[3]。為了加快油水分離的目的，在分離缸中加入破乳劑“NaCl”；在出水口增加半透膜，水小分子通過半透膜流出裝置外，而油污和加入的破乳劑NaCl被留在缸內(nèi)，既加快了油水分離的效率又保護(hù)了環(huán)境。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油水分離后大部分油污在第一和第二級(jí)，而少部分的油污在第三和第四級(jí)出現(xiàn)，但是經(jīng)半透膜后可以較好地完成油水分離。

5 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制程序采用C語言程序編寫，通過WiFi模塊和單片機(jī)將避障模塊、舵機(jī)云臺(tái)、電源、電機(jī)以及垃圾清理裝置連接成一個(gè)系統(tǒng)，由上位機(jī)軟件控制清理器的工作。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送指令后，指令經(jīng)WiFi模塊傳入單片機(jī)，單片機(jī)串口接收指令后，判斷接收的指令，按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)指令的功能。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。

6 結(jié)束語

筆者根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對水面清污裝置進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成了樣機(jī)制作。樣機(jī)在室內(nèi)水池和室外人工湖的測試中能快速到達(dá)水面垃圾處，將漂浮垃圾物收集到裝置內(nèi)部并運(yùn)至指定地點(diǎn)，成功率高，性能穩(wěn)定；同時(shí)對水面油污收集測試，可以快速實(shí)現(xiàn)油水分離，并對分離出的油污進(jìn)行收集。該裝置成本低、體型小、靈活性高，具有一定實(shí)用價(jià)值和市場前景，可以有效解決狹小(或較淺)且有水草分布的水域的水面污物清理問題。

圖4 系統(tǒng)的程序流程