水面漂浮垃圾收集机器人的系统设计

引言

进入21世纪以来,快速增长的生活消费与工厂生产一定程度上导致了水域受垃圾污染的情况加重。水域污染不仅影响了各大生态系统,同时影响着居住环境、居民的身体健康。目前,水面漂浮垃圾治理方法普遍是清洁人员利用船只配合打捞工具在污染水域巡航打捞。该方法不仅工作效率不高,而且清洁工的劳动强度大,易受烈日寒冬影响,并且腐臭环境对清洁工的身体有不良影响。因此,有必要设计出一种远程控制的水面漂浮垃圾收集机器人,代替清洁人员在恶劣的工作环境下作业。为使机器人工作时具有良好的可持续性与可操控性,本文结合光伏技术与图像传输技术,设计了一种可远程控制的水面漂浮垃圾收集机器人,以改善清洁工人工作条件,提高工作效率,降低水域治理成本。该系统采用模块化设计,机器人由驱动模块、垃圾收集模块、中央控制模块、传感模块组成,可稳定高效地完成工作任务。

1驱动模块

由于水面漂浮垃圾收集机器人在水面上工作时能够充分接收太阳光照,同时考虑到机器人频繁的充电需求会严重影响其工作效率,因此使用光能作为驱动能源,驱动推进器工作,完成机器人在水面上的行驶功能。机器人的驱动模块由推进器、太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器组成。

常见的推进器有螺旋奖推进器、喷水推进器、直翼推进器、吊舱推进器。

(1)螺旋奖推进器是由减速电机加上奖叶组成的,固定设置在船身的下方或侧面,工作状态下的螺旋奖推进器位于水下,螺旋奖击打水体产生推力,从而实现船体的移动。这种结构简单、效率高、重量轻,是目前使用最广泛的一种推进器。

(2)喷水推进器原理是利用水泵将水从船体的底部吸入,再将水从船体尾部喷出,从而获得反作用力来推进船体。这种结构需要将水泵安装在船体,导致质量过大,而且受吸水管的直径大小限制,行驶效率低下,不适用于收集水面漂浮垃圾。

(3)直翼推进器的原理是利用垂向设置的旋转轴带动直翼旋转,从而获得反作用力来推进船体,这种推进器作用于水体后产生的力呈矩形分布,较螺旋奖推进器的作用力面积大,其效果更好。但由于该推进器机构复杂,容易损坏,并且成本高,不适合应用于水面垃圾收集。

(4)吊舱推进器原理是将电机设置于船体外部,并通过传动结构与舵奖相连:电机驱动舵奖旋转,利用水的反作用力推动船体。这种推进器能够360o旋转,较为灵活,但存在奖轴的密封难以处理、不便于维修、传动效率低等缺点,不适合应用于水面垃圾收集。

因此,最适用于水面漂浮垃圾收集机器人的推进器是螺旋奖推进器。

光伏发电中的主要部分有太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器,结合推进器,驱动模块布局示意图如图1所示。太阳能电池板将水面漂浮垃圾收集机器人接收的太阳的辐射能量转换为需要的电能,用于推动机器人向前,多余的电能经过传输存储在蓄电池中。太阳能控制器判断产生的电能是用于推进器上还是储存在蓄电池,同时对满电的蓄电池作过充保护与过量放电停止工作。蓄电池选用常见的铅酸电池,质量稳定,可靠性高。

2垃圾收集模块

垃圾收集模块结构示意图如图2所示,水面漂浮垃圾收集机器人舱体内设置一个可拆卸垃圾收集桶,便于人工更换装满垃圾的垃圾收集桶,减少更换时间。垃圾收集桶内表面光洁,上边缘为圆角,便于垃圾清理。水面漂浮垃圾收集机器人前方两侧都设置有倾斜的过滤网,将垃圾向机器人前方中心汇聚。机器人前方设置有一个倾斜的输送带机构,用于将机器人前方中心汇聚的垃圾输送至垃圾收集桶。输送带机构由铝型材架、减速电机、同步带、同步轮、上下端带轴承的滚筒、平皮带组成。输送带机构中,蓄电池驱动减速电机旋转,减速电机通过带传动的方式带动皮带转动,将垃圾输送至垃圾收集桶。减速电机采用间断式运转的方式工作,节省电能。在垃圾收集桶上方设置一个光电传感器于舱体侧面,用于感应垃圾收集桶是否装满垃圾,及时发送信号至清洁人员,清洁人员遥控水面漂浮垃圾收集机器人至垃圾场,并进行清理。这种垃圾收集方法收集效率高,运作稳定,方便清洁人员处理垃圾。

3中央控制模块及传感模块

中央控制模块采用ARM处理器,ARM处理器运算速度比较快、性能也比较稳定,适合中小型机器人控制以及部分工业控制。ARM处理器具有多路中断以及PwM输出,传感器的检测通常需要结合中断命令进行,多数执行元件需要PwM控制,因此ARM处理器十分适合控制水面漂浮垃圾收集机器人。遥控操作通过wi-Fi传输信号的通信方式传送地面信号至ARM进行处理,进而控制水面漂浮垃圾收集机器人。传感模块中传感器有光电传感器、摄像传感器,光电传感器用于感应垃圾是否装满,摄像传感器用于捕获机器人前方图像,图像经过wi-Fi传输至带Linux系统的地面站,通过高效的数据处理,采集的图像能实时在显示器上呈示。清洁人员根据显示屏上的视频图像判断现场情况,控制机器人收集垃圾。

4结语

本文设计了一种利用太阳能的远程控制水面漂浮垃圾收集机器人,能够高效便捷地收集水面垃圾,有利于改善水域污染情况,可为水面垃圾收集领域作出参考。