水陆两栖垃圾清理机器人结构及控制系统研究

0 引言

随着经济快速发展和城市化进程加快 , 固体垃 圾的产生量迅速增加 ,对环境造成了严重影响[1]。因 此 ,合理清理固体垃圾 ,减少对生态系统的破坏 ,保 护自然环境 , 已成为当今社会的重要议题。垃圾处理 不当会导致一系列公共卫生问题 ,如病虫害传播、生 态破坏和水源污染等。

近些年来 , 国内学者在垃圾清理机器人领域的 研究取得了一定的成果:周亚东等设计的水上精灵 专为深度浅、水流缓、形状不规则的小型水域设计[2]; 张振楠等设计的自动规划路径的水陆两栖巡航清理 运输车 ,可以实现水陆两栖行驶、垃圾自动收集、处 理与自主巡航等功能[3]。但现有研究均不能实现小型 不规则水域及狭窄路面清理装置的通用化。

因此 ,本文设计了一种针对小型不规则水域及 狭窄路面清理的水陆两栖垃圾清理机器人 。通过结构分析及应力计算 ,设计出双体船结构及履带驱动 结构 , 并从动力输入、收集装置、模式转换等方面着 手设计出相应的机械装置 ,装配后进行稳定性分析 , 其具有结构稳定、功能多样、移动灵活、通过性好等 优点。

1 水陆两栖垃圾清理机器人整体结构及工作 原理

1.1 整体结构

水陆两栖垃圾清理机器人由陆地清扫装置 、垃 圾收集装置、垃圾储存装置、水面行进装置、陆地行 走装置以及浮力装置组成 ,按照各自的工作顺序及 使用功能进行合理装配 。装置结构如图1所示。

1.2 工作原理

装置启动进入清扫区域进行垃圾收集作业 ,视 觉识别探测摄像头开始工作 ,在识别到垃圾后 ,通过 单片机控制单元将信号传递给电机 , 驱动装置转向并前进至垃圾处。装置通过传送带捞取并收集水面垃圾,垃圾随传送带运动进入垃圾储存箱内。视觉识别探测摄像头及配套系统继续搜索捕捉其他垃圾并收集。垃圾储存箱底部安装有重力传感器模块,当装置舱室内垃圾达到一定重量时,装置返回至陆上指定地点,舵机工作,完成垃圾的倾倒,完成后可继续前往水域进行下一轮垃圾收集。装置在航行过程中,采用GPS模块进行导航定位,使工作人员可以实时掌握装置所在位置[4]。装置工作流程图如图2所示。

2 主要结构设计

2.1 陆地清扫装置

陆地清扫装置主要由滚刷、直流无刷电机以及舵机组成(图3)。滚刷用于表面垃圾的清扫,舵机用于滚刷的升降,当转换为陆地作业时,控制舵机使滚刷与地面接触,直流无刷电机带动滚刷旋转,开始陆地清扫作业。当转换为水面模式时,控制舵机使滚刷抬升。

陆地作业模式下,作业机器人运行方向与水面作业行进方向相反,通过滚刷将垃圾清扫到垃圾收集装置上,工作时滚刷与传送带底部辊轴距离约为10 cm,保证了装置运行的稳定性以及较高的清洁效率。

2.2垃圾收集装置

垃圾收集装置主要由传送带、挡板、滚刷、电机保护罩以及直流无刷电机构成(图4)。装置运行时,直流无刷电机带动传送带运转,同时利用同步皮带带动滚刷旋转,滚刷用于清理传送带上粘连的垃圾,当垃圾随传送带运送到滚刷处时,滚刷转动将垃圾收集到垃圾储存箱内,完成垃圾收集过程。

传送带与滚刷的角速度比为1:1,经实际情况分析得,传动比低于1:1的情况下,会造成垃圾堵塞;若传动比高于1:1,则会造成垃圾飞溅,以上均不能完成高效率的清理。

传送带与水面(或陆地)形成约50O的夹角,经过多次实际演示,当传送带与水面或陆地形成的角度约为50O时,装置运行较为稳定。

2.3垃圾储存装置

垃圾储存装置是由储存箱、舵机、固定支座以及重力传感器组成(图5),将舵机安装在固定支座上并将固定支座连接在装置主体上,舵机与垃圾储存箱连接,垃圾储存箱内放置重力传感器,当垃圾重量达到设定阈值时,垃圾储存箱在舵机的作用下实现垃圾的倾倒。

2.4 陆地行走装置

陆地行走装置(图6)采用双履带结构[5],因考虑到装置从陆地切换成水面工作的过程中,电机的位置过低会存在进水风险,造成电机失效,因此将电机抬高并置于装置箱体内,再通过同步带将运动传递给履带轮,从而实现陆地行走。

2.5水面行进装置

水面行进装置是由舵机、浮筒、舵机支架以及摆动铝管构成(图7),当传感器识别到装置即将下水工作时,控制舵机使两侧浮筒缓慢下降,依靠浮筒浮力使船体漂浮于水面,直到履带离开水面,同时水下推进器开始工作;当识别到处于陆地时,舵机开始工作,控制舵机使两侧浮筒抬升,使履带轮接触陆地,同时履带轮开始工作。

3控制系统设计

此项目的电机控制系统负责控制陆地和水面行驶及垃圾清扫装置的运行。系统选用STM32F103C8T6作为主控,通过直流无刷电机和舵机实现移动和垃圾处理,配合传感器模块,实现高效精确的控制。同时,电源系统由12 V锂电池与稳压模块组成,能在驱动电机的同时,达到各部分所需电压,以确保系统正常运行。系统运动控制框图如图8所示。

3.1 陆地控制部分

陆地部分采用履带式驱动系统,直流无刷电机通过同步带轮和履带轮的传动控制履带,这种驱动方式可以提供更好的地面适应性和稳定性。通过两轮之间的差速进行转向,电机控制系统通过STM32F103C8T6单片机接收来自传感器的信息,动态调整电机的PWM输出,从而控制电机的输出功率,确保机器人在不同地形上行驶的稳定性。通过舵机控制滚刷的升降,在转换工作模式时,根据超声波传感器的反馈信号调节滚刷与地面接触的角度,保证清扫效果。为了进一步提高控制系统的性能,采用PID控制算法来动态调整电机的PWM输出,从而控制电机的输出功率[6]。PID控制器可以根据当前速度与目标速度之间的误差,动态调整PWM信号的占空比,实现对电机速度的精确控制。陀螺仪传感器用于检测机器人的偏航角和姿态,这对于保持机器人转向时的稳定性至关重要[7]。例如,当机器人在不平坦的地面上移动或在水面上航行时,陀螺仪传感器能实时提供关于其姿态变化的信息,通过STM32F103C8T6单片机接收来自陀螺仪的信息,控制系统可以实时调整电机的运行状态,以适应地形变化和保持行驶方向。此外,陀螺仪传感器还可与加速度计等其他传感器配合使用,以实现更精确的姿态控制和运动规划。这种传感器融合的方法可以提高机器人对环境变化的适应能力,从而提升其在复杂地形中的操作性能和清扫效率。

3.2水面行驶控制

水上部分则依靠装置的浮力和由电机控制的水下推进器工作。系统的舵机控制浮筒的升降,当机器人进入水域时,舵机控制浮筒下降,履带将离开水面,随后,水下推进器启动,提供动力使机器人在水面上行驶。

3.3垃圾处理部分

垃圾处理部分分为垃圾收集和垃圾存储两大环节。

垃圾收集环节由传送带和滚刷组成,电机用于控制传送带和滚刷的运转。直流无刷电机驱动传送带运转的同时,通过同步带控制滚刷的旋转,清理传送带上的垃圾。

垃圾储存环节通过舵机控制垃圾箱的倾倒,单片机接收来自重力传感器的数据,当垃圾的重量达到设定重量时,系统会触发舵机运动,完成垃圾倾倒。

4结束语

水陆两栖垃圾清理机器人的结构研究与控制系统设计,解决了不规则水域和狭窄路面垃圾清理装置不通用的难题,机器人结合双体船结构及履带驱动模式,可以实现在复杂环境下的稳定运行。通过传送带和滚刷的结合实现垃圾的收集,并结合传感器数据完成垃圾的收集与倾倒任务,大大提高了垃圾清洁效率,为水陆垃圾清理提供了全新的解决思路。该机器人将在垃圾清理领域发挥重要作用,为环境保护做出更大的贡献。

[参考文献]

[1]王旭东,兰珂,张娜.“清道夫”:水陆两栖智能垃圾清理车的研究[J].考试周刊,2017(54):176.

[2]周亚东,吴旭东,黄文良,等.水上精灵:全自动水域垃圾清理设备[J].科技与创新,2023(22):37-39.

[3]张振楠,韩博康,马赫,等.一种水陆两栖巡航清理运输车的研制[J].设备管理与维修,2024(8):42-44.

[4]余胤翔,赵宇洋,黄胤政,等.基于机器视觉的水面垃圾寻航系统[J].电子产品世界,2023,30(7):18-23.

[5]朱庆卓,王玉勤,左梦强,等.基于路径规划技术的沙滩垃圾清理车设计[J].河南科技,2024,51(20):51-54.

[6] 张铭昊,张晓闻,卢雨杰,等.基于STM32设计的自动避障分拣垃圾小车系统[J].山西电子技术,2025(1):31-34.

[7] 马博经,项小东.基于STM32的电动轮椅户外监测系统设计[J].电子测试,2020(10):19-21.

《机电信息》2025年第12期第17篇