摘 要：【目的】針對(duì)日益嚴(yán)重的沙灘垃圾污染以及傳統(tǒng)垃圾清理方式效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于路徑規(guī)劃技術(shù)的沙灘垃圾清理車?！痉椒ā克O(shè)計(jì)的清理車集成了翻動(dòng)鏟、垃圾傳送帶、圖像傳感器、太陽(yáng)能板、回收箱和履帶式底盤等結(jié)構(gòu)。圖像傳感器可以識(shí)別垃圾位置，并結(jié)合蟻群算法規(guī)劃最優(yōu)路徑，提高垃圾收集效率。安裝的太陽(yáng)能板可以為清理車提供補(bǔ)充能源，延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)間。為檢驗(yàn)清理車的底盤結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，使用SolidWorks軟件進(jìn)行有限元分析?！窘Y(jié)果】有限元計(jì)算結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的底盤結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿足使用要求?！窘Y(jié)論】所設(shè)計(jì)的沙灘垃圾清理車在垃圾精準(zhǔn)識(shí)別、路徑合理規(guī)劃和節(jié)能環(huán)保等方面具有顯著的創(chuàng)新意義和應(yīng)用潛力，為今后沙灘垃圾清理裝置的研發(fā)和設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：沙灘垃圾清理車；圖像傳感器；路徑規(guī)劃；太陽(yáng)能板

中圖分類號(hào)：TH137.5" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）20-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.010

Design of Beach Garbage Cleaning Vehicle Based on Path Planning Technology

Abstract： [Purposes] Aiming at the increasingly serious pollution of beach garbage and the inefficiency of traditional garbage cleaning methods， a beach garbage cleaning vehicle based on path planning technology is designed. [Methods] The designed cleaning vehicle integrates the structure of turning shovel， garbage conveyor belt， image sensor， solar panel， recycling box and crawler chassis. Image sensor can identify the location of garbage， and combine with ant colony algorithm to plan the optimal path to improve the efficiency of garbage collection. The installed solar panels can provide supplementary energy for the cleaning vehicle and extend the working time of the equipment. In order to test whether the chassis structure of the cleaning vehicle meets the strength requirements， the finite element analysis is carried out by SolidWorks software. [Findings] The results of finite element calculation show that the designed chassis structure is reasonable and the strength meets the requirements of use. [Conclusions] The designed beach garbage cleaning vehicle has remarkable innovative significance and application potential in the aspects of accurate garbage identification， reasonable path planning， energy saving and environmental protection， which provides reference for the research and development and design of beach garbage cleaning devices in the future.

Keywords： beach garbage cleaning vehicle; image sensor; path planning; solar panel

0 引言

由于旅游業(yè)快速發(fā)展，各地沙灘都吸引了大量游客，導(dǎo)致沙灘垃圾不斷增加，污染問(wèn)題日益嚴(yán)重［1］。沙灘垃圾流入海洋會(huì)破壞海洋原有的生態(tài)平衡，威脅海洋動(dòng)植物的生存。研究表明，海鳥、海洋魚類、海龜?shù)群Ｑ髣?dòng)物受到垃圾影響的數(shù)量已從67種增加到693種［2］。如何快速高效地清理沙灘垃圾，已成為當(dāng)前世界面臨的一大難題。

為有效解決沙灘垃圾帶來(lái)的污染問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者提出了一系列沙灘垃圾清理設(shè)計(jì)理念。吳東軍等［3］設(shè)計(jì)了一種沙灘清理車，采用鏟沙機(jī)構(gòu)和篩分機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了垃圾收集問(wèn)題。王金蓮等［4］利用攝像頭成像技術(shù)并結(jié)合Opencv算法快速定位沙灘垃圾位置，實(shí)現(xiàn)了沙灘垃圾處理機(jī)的智能清理垃圾功能。張俊琦［5］基于視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款垃圾清理裝置，通過(guò)合理規(guī)劃清理路徑，提高了沙灘垃圾清理效率。

為提高沙灘垃圾清理效率，本研究擬設(shè)計(jì)一款具有視覺(jué)識(shí)別功能的履帶式沙灘垃圾清理車。該裝置可以快速識(shí)別沙灘垃圾并規(guī)劃出最優(yōu)路徑，從而實(shí)現(xiàn)沙灘垃圾的快速清理功能。

1 工作原理

沙灘垃圾清理車通過(guò)高分辨率圖像傳感器捕捉沙灘圖像信息，結(jié)合地形數(shù)據(jù)、障礙物方位和垃圾分布位置，基于蟻群算法實(shí)時(shí)生成最優(yōu)路線。清理車可以完成實(shí)時(shí)避障和自主導(dǎo)航功能，確保清理工作的安全與高效［6］。清理車安裝有光伏發(fā)電裝置，該裝置由多晶硅太陽(yáng)能電池板、鋰離子電池、電源管理系統(tǒng)和最大功率點(diǎn)跟蹤控制器等組成。光伏發(fā)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，再通過(guò)電源管理系統(tǒng)對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)和分配，以補(bǔ)充設(shè)備的電力供應(yīng)［7］。清理車通過(guò)翻動(dòng)鏟收集垃圾，并利用傳送帶將收集到的垃圾輸送至車載式回收箱中。當(dāng)回收箱裝滿垃圾后，清理車將返回指定地點(diǎn)進(jìn)行垃圾卸載。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沙灘垃圾清理車由翻動(dòng)鏟、傳送帶、圖像傳感器、太陽(yáng)能板、回收箱和履帶式底盤等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。清理車通過(guò)圖像傳感器采集沙灘環(huán)境溫度、前方障礙物、電源電量等信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而規(guī)劃出合理的垃圾清理路徑，提高設(shè)備的垃圾清理效率。

2.2 翻動(dòng)鏟及垃圾傳送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻動(dòng)鏟采用合金鋼材質(zhì)，并設(shè)計(jì)了寬大且具有弧度的鏟面。鏟面中間設(shè)計(jì)了供泥沙通過(guò)的縫隙，防止泥沙在鏟頭堆積，影響清理效率。因此，該裝置可以有效應(yīng)對(duì)各類沙灘垃圾。

傳送帶采用橡膠材質(zhì)，具有耐磨和耐腐蝕特性，能夠適應(yīng)海水環(huán)境。傳送帶表面設(shè)計(jì)有隔板，可以防止垃圾在傳輸過(guò)程中掉落。

2.3 路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

沙灘垃圾清理車裝配了視覺(jué)傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集沙灘上垃圾的分布位置，并進(jìn)行地形和障礙物的數(shù)據(jù)分析。通過(guò)識(shí)別和檢測(cè)具體目標(biāo)，將圖像信息傳遞給控制模塊，進(jìn)行圖像的分割、識(shí)別、融合，進(jìn)而構(gòu)建全景地圖。

為提高垃圾搜尋和清理效率，采用蟻群算法規(guī)劃路徑，其路徑規(guī)劃流程如圖2所示。具體如下，螞蟻開始搜索路徑，統(tǒng)計(jì)每只螞蟻經(jīng)過(guò)的路徑，更新禁忌素表，從而判斷螞蟻是否完成了搜索。搜索完成后更新禁忌素，檢查終止條件。如果不符合條件，則重新計(jì)算；如果符合條件，則持續(xù)迭代到最大次數(shù)。算法執(zhí)行結(jié)束后，輸出最終結(jié)果。蟻群算法通過(guò)增加蟻群的數(shù)量，讓它們通過(guò)不同的路徑，記錄不同路徑上積累的信息素，從而得出最優(yōu)路徑。這使得清潔車能夠規(guī)劃出最優(yōu)路徑，同時(shí)該算法擁有較強(qiáng)的魯棒性，不易受到外界影響，可以按照該路徑逐一收集垃圾。這樣的操作將有效縮短清理車的運(yùn)行距離，顯著提高垃圾清理效率。

2.4 太陽(yáng)能模塊設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能模塊由多晶硅太陽(yáng)能電池板和鋰電池等組成。由于光能源轉(zhuǎn)換率僅有20%左右且不穩(wěn)定，因此采用控制芯片進(jìn)行降壓處理。傳感器將電壓信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦行模员慵皶r(shí)做出調(diào)控，確保工作的正常進(jìn)行［8］。傳感器還收集環(huán)境光照強(qiáng)度及電池電量情況，并傳輸至控制中心。根據(jù)預(yù)設(shè)程序或人工遙控，為沙灘清理車提供電能，達(dá)到節(jié)能環(huán)保和延長(zhǎng)工作時(shí)間的目的。太陽(yáng)能模塊的工作流程見(jiàn)圖3。

2.5 履帶式底盤設(shè)計(jì)

該沙灘清理車底盤安裝有履帶，以提高了其運(yùn)行速度。為確保清理車的平穩(wěn)運(yùn)行，底盤上安裝了一個(gè)穩(wěn)定性良好的整體式機(jī)架，并將引導(dǎo)輪、支重輪和電源等部件安裝在機(jī)架上。機(jī)架的連接梁有助于提高整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而轉(zhuǎn)動(dòng)梁則使機(jī)架能夠?qū)崿F(xiàn)擺動(dòng)，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象［9］。在底盤尾部，安裝有一個(gè)大容量的垃圾回收箱。沙灘清理車的履帶底盤結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

3 有限元分析評(píng)估

沙灘垃圾清理車底盤是重要的載荷部件，其強(qiáng)度大小直接影響設(shè)備的載重和運(yùn)行效果。采用SolidWorks軟件對(duì)底盤進(jìn)行有限元分析，以判斷其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足使用要求。通過(guò)施加載荷，可以得到底盤的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)，以便于全面分析部件強(qiáng)度［10］。

底盤選用合金鋼材料，彈性模量為2.1e+08 N/m2，抗剪模量為7.9e+10 N/m2，泊松比為0.28，材料密度為7 700 kg/m3。底盤采用中等密度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

由圖5可知，網(wǎng)格雅可比點(diǎn)數(shù)為16，網(wǎng)格的單元總數(shù)為8 773，節(jié)總數(shù)為18 126，最大單元極限和最小單元大小分別為31.818 5 mm和10.606 1 mm。對(duì)底盤施加100 N的載荷，運(yùn)行“SolidWorks Simulation”插件進(jìn)行運(yùn)算求解。底盤靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，底盤所受最大應(yīng)力為2.087 44e+05 N/m2，屈服應(yīng)力為6.204 22e+08 N/m2，最大位移量為0.016 mm。由此可見(jiàn)，底盤的最大應(yīng)力數(shù)值與最大位移量均在其許用范圍內(nèi)，滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高沙灘垃圾清理效率，本研究設(shè)計(jì)了一款基于視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的沙灘垃圾清理車。該沙灘垃圾清理車采用履帶式驅(qū)動(dòng)底盤和太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，可以高效率、低成本、自動(dòng)化地清理沙灘垃圾。所設(shè)計(jì)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合蟻群算法能夠快速識(shí)別垃圾位置并規(guī)劃清理車的運(yùn)行路徑，從而提高沙灘垃圾清理的效率。為了檢驗(yàn)底盤是否滿足強(qiáng)度要求，對(duì)底盤進(jìn)行了有限元分析。利用“SolidWorks Simulation”插件，計(jì)算得到了底盤的應(yīng)力和位移云圖。計(jì)算結(jié)果表明，底盤的應(yīng)力和位移值均在許用范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本研究為未來(lái)沙灘垃圾清理提供了切實(shí)可行的解決方案，對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境和減少環(huán)境污染具有重要意義。

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