引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來,快速增長的生活消費與工廠生產(chǎn)一定程度上導(dǎo)致了水域受垃圾污染的情況加重。水域污染不僅影響了各大生態(tài)系統(tǒng),同時影響著居住環(huán)境、居民的身體健康。目前,水面漂浮垃圾治理方法普遍是清潔人員利用船只配合打撈工具在污染水域巡航打撈。該方法不僅工作效率不高,而且清潔工的勞動強(qiáng)度大,易受烈日寒冬影響,并且腐臭環(huán)境對清潔工的身體有不良影響。因此,有必要設(shè)計出一種遠(yuǎn)程控制的水面漂浮垃圾收集機(jī)器人,代替清潔人員在惡劣的工作環(huán)境下作業(yè)。為使機(jī)器人工作時具有良好的可持續(xù)性與可操控性,本文結(jié)合光伏技術(shù)與圖像傳輸技術(shù),設(shè)計了一種可遠(yuǎn)程控制的水面漂浮垃圾收集機(jī)器人,以改善清潔工人工作條件,提高工作效率,降低水域治理成本。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,機(jī)器人由驅(qū)動模塊、垃圾收集模塊、中央控制模塊、傳感模塊組成,可穩(wěn)定高效地完成工作任務(wù)。

1驅(qū)動模塊

由于水面漂浮垃圾收集機(jī)器人在水面上工作時能夠充分接收太陽光照,同時考慮到機(jī)器人頻繁的充電需求會嚴(yán)重影響其工作效率,因此使用光能作為驅(qū)動能源,驅(qū)動推進(jìn)器工作,完成機(jī)器人在水面上的行駛功能。機(jī)器人的驅(qū)動模塊由推進(jìn)器、太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器組成。

常見的推進(jìn)器有螺旋獎推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器、直翼推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)器。

(1)螺旋獎推進(jìn)器是由減速電機(jī)加上獎葉組成的,固定設(shè)置在船身的下方或側(cè)面,工作狀態(tài)下的螺旋獎推進(jìn)器位于水下,螺旋獎?chuàng)舸蛩w產(chǎn)生推力,從而實現(xiàn)船體的移動。這種結(jié)構(gòu)簡單、效率高、重量輕,是目前使用最廣泛的一種推進(jìn)器。

(2)噴水推進(jìn)器原理是利用水泵將水從船體的底部吸入,再將水從船體尾部噴出,從而獲得反作用力來推進(jìn)船體。這種結(jié)構(gòu)需要將水泵安裝在船體,導(dǎo)致質(zhì)量過大,而且受吸水管的直徑大小限制,行駛效率低下,不適用于收集水面漂浮垃圾。

(3)直翼推進(jìn)器的原理是利用垂向設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸帶動直翼旋轉(zhuǎn),從而獲得反作用力來推進(jìn)船體,這種推進(jìn)器作用于水體后產(chǎn)生的力呈矩形分布,較螺旋獎推進(jìn)器的作用力面積大,其效果更好。但由于該推進(jìn)器機(jī)構(gòu)復(fù)雜,容易損壞,并且成本高,不適合應(yīng)用于水面垃圾收集。

(4)吊艙推進(jìn)器原理是將電機(jī)設(shè)置于船體外部,并通過傳動結(jié)構(gòu)與舵獎相連:電機(jī)驅(qū)動舵獎旋轉(zhuǎn),利用水的反作用力推動船體。這種推進(jìn)器能夠360o旋轉(zhuǎn),較為靈活,但存在獎軸的密封難以處理、不便于維修、傳動效率低等缺點,不適合應(yīng)用于水面垃圾收集。

因此,最適用于水面漂浮垃圾收集機(jī)器人的推進(jìn)器是螺旋獎推進(jìn)器。

光伏發(fā)電中的主要部分有太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器,結(jié)合推進(jìn)器,驅(qū)動模塊布局示意圖如圖1所示。太陽能電池板將水面漂浮垃圾收集機(jī)器人接收的太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為需要的電能,用于推動機(jī)器人向前,多余的電能經(jīng)過傳輸存儲在蓄電池中。太陽能控制器判斷產(chǎn)生的電能是用于推進(jìn)器上還是儲存在蓄電池,同時對滿電的蓄電池作過充保護(hù)與過量放電停止工作。蓄電池選用常見的鉛酸電池,質(zhì)量穩(wěn)定,可靠性高。

2垃圾收集模塊

垃圾收集模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,水面漂浮垃圾收集機(jī)器人艙體內(nèi)設(shè)置一個可拆卸垃圾收集桶,便于人工更換裝滿垃圾的垃圾收集桶,減少更換時間。垃圾收集桶內(nèi)表面光潔,上邊緣為圓角,便于垃圾清理。水面漂浮垃圾收集機(jī)器人前方兩側(cè)都設(shè)置有傾斜的過濾網(wǎng),將垃圾向機(jī)器人前方中心匯聚。機(jī)器人前方設(shè)置有一個傾斜的輸送帶機(jī)構(gòu),用于將機(jī)器人前方中心匯聚的垃圾輸送至垃圾收集桶。輸送帶機(jī)構(gòu)由鋁型材架、減速電機(jī)、同步帶、同步輪、上下端帶軸承的滾筒、平皮帶組成。輸送帶機(jī)構(gòu)中,蓄電池驅(qū)動減速電機(jī)旋轉(zhuǎn),減速電機(jī)通過帶傳動的方式帶動皮帶轉(zhuǎn)動,將垃圾輸送至垃圾收集桶。減速電機(jī)采用間斷式運轉(zhuǎn)的方式工作,節(jié)省電能。在垃圾收集桶上方設(shè)置一個光電傳感器于艙體側(cè)面,用于感應(yīng)垃圾收集桶是否裝滿垃圾,及時發(fā)送信號至清潔人員,清潔人員遙控水面漂浮垃圾收集機(jī)器人至垃圾場,并進(jìn)行清理。這種垃圾收集方法收集效率高,運作穩(wěn)定,方便清潔人員處理垃圾。

3中央控制模塊及傳感模塊

中央控制模塊采用ARM處理器,ARM處理器運算速度比較快、性能也比較穩(wěn)定,適合中小型機(jī)器人控制以及部分工業(yè)控制。ARM處理器具有多路中斷以及PwM輸出,傳感器的檢測通常需要結(jié)合中斷命令進(jìn)行,多數(shù)執(zhí)行元件需要PwM控制,因此ARM處理器十分適合控制水面漂浮垃圾收集機(jī)器人。遙控操作通過wi-Fi傳輸信號的通信方式傳送地面信號至ARM進(jìn)行處理,進(jìn)而控制水面漂浮垃圾收集機(jī)器人。傳感模塊中傳感器有光電傳感器、攝像傳感器,光電傳感器用于感應(yīng)垃圾是否裝滿,攝像傳感器用于捕獲機(jī)器人前方圖像,圖像經(jīng)過wi-Fi傳輸至帶Linux系統(tǒng)的地面站,通過高效的數(shù)據(jù)處理,采集的圖像能實時在顯示器上呈示。清潔人員根據(jù)顯示屏上的視頻圖像判斷現(xiàn)場情況,控制機(jī)器人收集垃圾。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一種利用太陽能的遠(yuǎn)程控制水面漂浮垃圾收集機(jī)器人,能夠高效便捷地收集水面垃圾,有利于改善水域污染情況,可為水面垃圾收集領(lǐng)域作出參考。