馬夢遙 李海峰 蔡曉彤 馮榆寒 王輝

摘要：水面垃圾的清理是一個無法高效解決的難題，目前現(xiàn)有的水面垃圾處理方式主要以人工打撈為主，簡單機(jī)械配合為輔，但仍存在清理費用高、耗時長、效率低、危險性高的現(xiàn)狀?；谖覈w污染垃圾清理的難題，為提高水面垃圾清理的效率，本文介紹了一種水面垃圾清理機(jī)器人的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能使機(jī)器人能靈活地、精確地在水面上高效工作，并能通過人機(jī)交互對機(jī)器人進(jìn)行控制，實現(xiàn)其對水面垃圾的高效清理工作，本文對水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：水面清潔;機(jī)器人;水面漂浮垃圾清理;遠(yuǎn)程遙控

1、引言

水體資源是水體環(huán)境乃至整個生態(tài)環(huán)境中的重要組成部分[1]，但是隨著工業(yè)石油化工行業(yè)的發(fā)展，工業(yè)垃圾的排放和人為丟棄垃圾的行為，對脆弱的水體環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，依靠自然界的自我修復(fù)能力以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能維持生態(tài)環(huán)境的生態(tài)平衡。與此同時，由于水體的流動性，漂浮在水體表面的懸浮物不僅造成附近水體環(huán)境的污染，還會造成更大范圍水體的污染，而傳統(tǒng)清理方式主要以人工打撈的方式為主，簡單機(jī)械配合為輔，通過駕駛船對范圍區(qū)域內(nèi)的漂浮污染物進(jìn)行打撈，但存在工作效率低、資源耗費大的現(xiàn)象[2]。本文利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，對水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究，將技術(shù)與智能化設(shè)備相整合和優(yōu)化，實現(xiàn)針對區(qū)域內(nèi)漂浮于水面的垃圾進(jìn)行智能化識別和處理，并通過一體化操作，實現(xiàn)水面垃圾的高效打撈，提高水面垃圾清理的效率。

2、水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)整體構(gòu)架設(shè)計

根據(jù)水面機(jī)器人的全部處理功能對水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，從而構(gòu)設(shè)出基于智能處理與終端操控部件相結(jié)合的整體構(gòu)架，實現(xiàn)以傳感器信息采集與識別為處理基礎(chǔ)、以中央控制系統(tǒng)為核心邏輯處理部件、以終端操控機(jī)構(gòu)為垃圾清理的載體、通過系統(tǒng)內(nèi)部精密算法對不同的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)水面垃圾清理機(jī)器人的全部功能。

本文所采用無線通訊模塊作為雙向通信控制單元，以手機(jī)終端作為信息傳輸載體，可利用軟件及小程序控制，實現(xiàn)水面垃圾清理機(jī)器人的高度自動化作業(yè)。水面垃圾清理機(jī)器人在工作過程中采用節(jié)能型的鋰電池供電系統(tǒng)配備電動機(jī)來驅(qū)動垃圾清理機(jī)器人的運行。電機(jī)控制過程主要是采用PID經(jīng)濟(jì)算法實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

本系統(tǒng)主要通過傳感器對水面環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合內(nèi)部控制器，實現(xiàn)對水面垃圾所呈現(xiàn)出的空間點進(jìn)行智能識別。把采集數(shù)據(jù)反饋到32位單片機(jī)中央處理系統(tǒng)，進(jìn)而制定出完整的規(guī)避路徑，有效的解決水面垃圾清理機(jī)器人在運行過程中產(chǎn)生碰撞問題。除此之外，本系統(tǒng)所采用的單片機(jī)和主控制芯片具有可拓展功能，可針對此不同的實際需求對芯片進(jìn)行拓展。

3、水面垃圾清理機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1單片機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)計采用的主體控制芯片為32位單片機(jī)，其最高主頻率可達(dá)480MHz，芯片采用24個I/O處理接口以及USART通訊接口，計算時可以通過PID控制策略，對機(jī)器人的動力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動，實現(xiàn)高精度的快速響應(yīng)[3]。

3.2避障模塊

水面垃圾清理機(jī)器人在運行過程中，主要針對工作路徑之內(nèi)的水面漂浮污染物進(jìn)行清理。但在水面垃圾清理機(jī)器人作業(yè)過程中，障礙物將影響機(jī)器人的運行，一旦水面垃圾清理機(jī)器人與障礙物產(chǎn)生碰撞可造成損毀問題。避障模塊的設(shè)計主要是保證水面垃圾清理機(jī)器人具備垃圾識別與規(guī)避功能，規(guī)避作業(yè)過程中所可能產(chǎn)生的碰撞問題[4]。在實際驅(qū)動過程中，收集出機(jī)器人在作業(yè)過程中可能出現(xiàn)的各障礙物坐標(biāo)信息，利用中央處理器的運算，規(guī)定出最優(yōu)化行駛路徑，保證水面垃圾清理機(jī)器人作業(yè)的安全性。

3.3遙控輔助系統(tǒng)

遙控輔助系統(tǒng)主要針對各類機(jī)器人的反饋信號以及人工干預(yù)控制信號進(jìn)行無線傳輸和遠(yuǎn)程操控，可有效將整個操控模式獨立于設(shè)備內(nèi)部，通過接收器與遙控器信號互聯(lián)實現(xiàn)遙控。確保在智能控制條件下，也可以通過人工操控進(jìn)行整體狀態(tài)的調(diào)整，更為精準(zhǔn)的對水面垃圾進(jìn)行處理。

3.4 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊在設(shè)計時是選用T-pinK路由器作為主體連接源，在整個Wi-Fi終端安裝攝像頭以及信號解析軟件，確保外界采集到的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)定向化推送，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r效性，提高整體控制精度。

4、水面垃圾清理機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

在對水面垃圾清理機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，采用C語言進(jìn)行軟件編程。在多個動力驅(qū)動裝置聯(lián)動處理下，采用高效安全的自檢驗編程策略，采用多重保護(hù)機(jī)制編程策略。每個功能模塊采用獨立封裝的函數(shù)模式，保證數(shù)據(jù)在傳輸時可將整個采集信息與外界信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保機(jī)器人在作業(yè)和運行過程中高效、安全地執(zhí)行程序[5]，從而滿足水面垃圾清理機(jī)器的全部要求。

5、水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)調(diào)試及實現(xiàn)

在完成設(shè)計軟硬件系統(tǒng)后，需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試處理。在實際操作過程中，水面垃圾清理機(jī)器人的運行可實現(xiàn)自動化操作，當(dāng)輸入某一項指令后，可通過主芯片系統(tǒng)的協(xié)調(diào)處理，使水面垃圾清理機(jī)器人在水面之上工作運行。通過識別掃描系統(tǒng)，分析出不同水面垃圾以及不同水面障礙物之間的差異，并反饋至主系統(tǒng)中，從而完成一系列的漂浮垃圾的清理以及避障行駛等，規(guī)避風(fēng)險問題的產(chǎn)生，提高漂浮垃圾清理的效率，降低漂浮垃圾清理的成本。

6、結(jié)語

綜上所述，本文闡述了一款水面垃圾清理機(jī)器人控制系統(tǒng)，具備這種控制系統(tǒng)的水面垃圾清理機(jī)器人可將垃圾處理工作與智能系統(tǒng)相結(jié)合，打造出智能操控平臺，使水面垃圾清理機(jī)器人設(shè)備在水面上實現(xiàn)自動運行，真正實現(xiàn)智能化、高效化的作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳玲.無人駕駛技術(shù)在水面垃圾清理船上的應(yīng)用分析[J].船舶物資與市，2020（01）：50-51.

[2]張智源，常明堂，宋佳運，等.基于生態(tài)設(shè)計的城市水上垃圾清理船設(shè)計研究[J].科技創(chuàng) 新導(dǎo)報，2019（32）：108-110.

[3]王成龍.基于多通道連續(xù)肌電控制的手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)， 2019.

[4]劉燁.多模態(tài)腦電模式識別方法及其應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2016.

[5]朱盛穎，郭旭玲，鄧彥松.一種渦旋式水面清潔機(jī)器人[J].兵工自動化，2018，37（04）：76-79.