摘要：通過對(duì)國內(nèi)水上垃圾回收問題的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的水上垃圾清理船大多體積龐大且依靠燃油驅(qū)動(dòng)，不僅運(yùn)行能耗大、維護(hù)成本高，還會(huì)給水源帶來其他污染，有些清理船雖然個(gè)頭小但垃圾的回收效果卻不太理想。為了解決這些問題，文章設(shè)計(jì)了一種基于Arduino的水上垃圾回收機(jī)器人控制系統(tǒng)，該機(jī)器人可以通過無線通信、電機(jī)控制、傳感器等多種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)、收集、運(yùn)行和定位。該系統(tǒng)操作方便，成本低廉，為現(xiàn)有水上垃圾回收機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：Arduino；水上垃圾回收機(jī)器人；無線控制

中圖分類號(hào)：TP242;TP39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著環(huán)境污染的加劇，許多城市的河流、風(fēng)景區(qū)的人工湖泊受到了嚴(yán)重的破壞，塑料漂浮物、樹枝碎片等物質(zhì)混入其中，使人們的生活受到很大影響。目前，國內(nèi)的城市和湖泊中一些小水體清潔作業(yè)主要通過工人駕駛機(jī)動(dòng)或非機(jī)動(dòng)船打撈水面垃圾，這種方式效率低下，且由于工人長時(shí)間在水上工作，存在很大的安全隱患。為解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合AI視覺的太陽能水上垃圾收集機(jī)器人。該機(jī)器體積較小，可以自動(dòng)識(shí)別和追蹤水上的漂浮垃圾，無需人工控制，在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，能很好地適應(yīng)河流、湖泊等靜水區(qū)的使用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)前，機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要依賴于電子技術(shù)。本文將介紹一種基于Arduino的水上垃圾回收機(jī)器人的控制技術(shù)。該機(jī)器人的關(guān)鍵部分包括：Arduino控制單元、收集裝置、電源模塊、無線控制模塊、識(shí)別模塊和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元。其中，動(dòng)力部分采用水下推進(jìn)器；收集裝置主要由ULN2003APG驅(qū)動(dòng)芯片、步進(jìn)電機(jī)以及裝有勾臂的傳動(dòng)帶組成；自動(dòng)控制部分則由紅外光電感應(yīng)器、超聲波傳感器及OV7670攝像機(jī)等設(shè)備組成；而無線控制部分則由Android設(shè)備以及無線網(wǎng)絡(luò)接收器等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示［1］。

1.1 Arduino控制器

本文采用Arduino Mega 2560作為控制器。Arduino作為一個(gè)完全開放了源碼的電子平臺(tái)，在其開源協(xié)議允許下可以隨意進(jìn)行修改和設(shè)計(jì)。同時(shí)，這款控制器擁有相對(duì)靈活、易于操作的軟件和硬件，可以提供更多的I/O接口，連接更多的傳感器模塊，進(jìn)一步保證水上垃圾回收機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性和反應(yīng)的及時(shí)性。

1.2 檢測(cè)識(shí)別模塊

本文采用了帶有FIFO的OV7670攝像頭模塊，此模組體積較小、工作電壓低，還可以提供影像處理器與單片VGA攝像頭的全部功能。同時(shí)，F(xiàn)IFO的存儲(chǔ)速度非?？欤梢源罅靠焖賰?chǔ)存機(jī)器人拍攝的照片，方便CPU將獲得的照片數(shù)據(jù)慢慢取出并進(jìn)行分析，大大提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度［2］。

1.3 驅(qū)動(dòng)芯片

收集裝置選用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)傳送帶收集水面漂浮垃圾，可以很便利的將垃圾和水分離。同時(shí)，選用最常見的ULN2003APG驅(qū)動(dòng)芯片來作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，這款芯片擁有一個(gè)高效的連接器，能夠精確地與電動(dòng)機(jī)的電線相匹配，使得電動(dòng)機(jī)能夠輕松地安裝在板上。此外，4個(gè)LED燈也被安裝在4根控制輸入線上，為步進(jìn)狀態(tài)提供指引，使整個(gè)系統(tǒng)更加高效、穩(wěn)定。輸入某一相電流為高電平時(shí)相對(duì)應(yīng)相的LED指示燈變亮，使其在運(yùn)行時(shí)不僅可以提供一個(gè)良好的視覺效果，還帶有一個(gè)ON/OFF的跳線來隔離步進(jìn)電機(jī)的電源。該芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)原理，如圖2所示。

1.4 紅外光電傳感器

本文選用E18-D80NK光電傳感器來監(jiān)測(cè)艙體內(nèi)垃圾的存儲(chǔ)量。這種光電傳感器具備發(fā)出和接收信號(hào)的功能，由接收器、發(fā)射器以及相應(yīng)的檢測(cè)電路組成，具有極高的探測(cè)距離，而且可以抵抗大量的可見光，操作方便，價(jià)格實(shí)惠。

1.5 超聲波測(cè)距模塊

由于超聲波具有頻率高、方向性固定等特點(diǎn)，所以本文選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊來進(jìn)行機(jī)器人前進(jìn)方向上障礙物的檢測(cè)。HC-SR04模塊能夠?qū)⒊纛l信號(hào)傳輸至目標(biāo)物體。當(dāng)它碰到障礙物時(shí)，會(huì)被反射回來，并由其他端口接收。利用這些信號(hào)的傳輸時(shí)間差，就能夠根據(jù)相應(yīng)的公式來估算出機(jī)器和目標(biāo)物體的距離。此傳感器能夠自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)傳回，只要是在有效的檢測(cè)范圍內(nèi)就可以自己進(jìn)行障礙物的鎖定，無需人工進(jìn)行調(diào)整，而且該模塊擁有性能穩(wěn)定、測(cè)度距離精確、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)［3］。

1.6 電池模塊

性能良好的電池模組可以更好地保障水上垃圾回收機(jī)器人的正常運(yùn)行，電池采用的是磷酸鋰鐵電池。該電池具有低電阻和良好的電化學(xué)性能，擁有高額定電流、良好的熱穩(wěn)定性和較長的使用壽命；對(duì)充電條件的耐受性強(qiáng)，與其他鋰離子電池相比應(yīng)力更?。磺夷芰棵芏却?，可以更好地保障機(jī)器人的運(yùn)行。在船體的上部放置太陽能板能更好地增強(qiáng)機(jī)器人的續(xù)航能力。

1.7 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊除了要能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正常水上前進(jìn)，還需要解決機(jī)器人水上的轉(zhuǎn)向問題。本文采用2個(gè)T200水下推進(jìn)器安裝在機(jī)器人的后方，保證其推力能正常推進(jìn)。同時(shí)，將2個(gè)T200水下推進(jìn)器連接至2個(gè)電機(jī)上，電機(jī)連接Arduino控制器，從而能單獨(dú)控制單個(gè)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。因此當(dāng)控制一側(cè)的推進(jìn)器轉(zhuǎn)速小，一側(cè)推進(jìn)器轉(zhuǎn)速大，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向轉(zhuǎn)速小的一側(cè)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

1.8 無線控制模塊

該系統(tǒng)主要由Android設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)接收器組成，通過地圖軟件進(jìn)行工作區(qū)域的劃定后，Android控制設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)向機(jī)器人發(fā)送命令，機(jī)器人接收到信號(hào)經(jīng)過處理反饋后，根據(jù)指令在相應(yīng)的工作區(qū)域開始作業(yè)。這種操作方法簡(jiǎn)單便捷，十分容易上手。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)收集系統(tǒng)、檢測(cè)回收系統(tǒng)及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)4部分組成。這4部分相互協(xié)調(diào)、分工合作來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)垃圾的精準(zhǔn)識(shí)別和收集工作。

在開機(jī)工作后，機(jī)器人首先進(jìn)行自檢工作，包括剩余電量、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常與否以及垃圾存量等。如果在某一方面出現(xiàn)問題，機(jī)器人會(huì)向Android手機(jī)控制端發(fā)送相應(yīng)的警告提示。在人工解決后，自檢系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)問題后，機(jī)器人才會(huì)啟動(dòng)在并指定水域內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)巡航。在自動(dòng)巡航時(shí)，攝像頭會(huì)在前進(jìn)方向上檢測(cè)是否存在垃圾，如果存在垃圾，機(jī)器人會(huì)像垃圾方向前進(jìn)，在接近垃圾后啟動(dòng)收集裝置將垃圾收集進(jìn)艙體內(nèi)。當(dāng)垃圾檢測(cè)裝置檢測(cè)到艙體內(nèi)垃圾過多或者電量不足時(shí)，機(jī)器人會(huì)自主規(guī)劃最佳返航路線并向控制端發(fā)送警告提示。

2.1 啟動(dòng)自檢系統(tǒng)

在機(jī)器人開機(jī)工作后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一次啟動(dòng)自檢工作，會(huì)對(duì)機(jī)器本身的剩余電量、艙體垃圾存量、驅(qū)動(dòng)裝置、識(shí)別模塊以及回收裝置等進(jìn)行一次流程檢測(cè)，在確保各裝置可以正常工作后，根據(jù)控制端發(fā)布的命令，自動(dòng)規(guī)劃巡航路線。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，如圖3所示。

2.2 巡航收集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由OV7670攝像頭模塊、ULN2003APG驅(qū)動(dòng)芯片、步進(jìn)電機(jī)和特殊設(shè)計(jì)的傳送帶組成，能夠自動(dòng)識(shí)別水域中的漂浮垃圾，并在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物品后，控制板會(huì)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)朝垃圾方向移動(dòng)，等待接近垃圾時(shí)，控制板會(huì)控制步進(jìn)電機(jī)，將垃圾傳送到艙體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)垃圾的有效回收［1］。巡航回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于Arduino控制器的水上垃圾回收機(jī)器人的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、OV7670攝像頭模塊、HC-SR04超聲波傳感器、ULN2003APG驅(qū)動(dòng)芯片、E18-D80NK紅外光電傳感器等元件構(gòu)成，使機(jī)器人具有自動(dòng)巡航、自動(dòng)識(shí)別、垃圾收集、自動(dòng)檢測(cè)的功能，功能齊全，操作簡(jiǎn)單方便，適用于城市河道與景區(qū)湖泊等水域的應(yīng)用。該機(jī)器人能夠改善人們所處生活環(huán)境的水污染問題，減少水上的垃圾，而且符合現(xiàn)在的環(huán)保理念，具有極高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值與廣泛的推廣前景。

參考文獻(xiàn)

［1］陳利，饒闖，侍中樓.基于Arduino的小型水上清潔機(jī)器人的控制［J］.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（21）：89-92.

［2］楊榮，王明偉，劉思銘.基于圖像處理算法的目標(biāo)識(shí)別、定位與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020（9）：75-79.

［3］郭宇，徐建軍，趙河明，等.基于Arduino控制器的智能垃圾桶設(shè)計(jì)［J］.兵工自動(dòng)化，2018（3）：36-38.

Design of control system for underwater garbage recycling robot based on Arduino

LiangChao1， LiuZhitao1， YuXinbei1， SunBin1， NiXiaoyu1，2*

（1.Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000， China; 2.Zhangjiakou Special Equipment Intelligent

Monitoring Operation and Maintenance Technology Innovation Center， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract：Through the research on domestic water garbage recycling， it is found that most of the existing water garbage cleaning boats are huge and driven by fuel， which not only consumes a lot of energy and costs a lot of maintenance， but also brings other pollution to the water source. Although some cleaning boats are small， the garbage recycling effect is not ideal. In order to solve these problems， this paper designs a control system for a water waste recycling robot based on Arduino. The robot can achieve fast and accurate detection， collection， operation， and positioning of water waste through various methods such as wireless communication， motor control， and sensors. This system is easy to operate and cost-effective， providing a new approach for the design of existing water waste recycling robots.

Key words： Arduino; underwater garbage recycling robot; wireless control