景區(qū)水面垃圾清理船設(shè)計(jì)

江達(dá)飛　毛玉青

【摘 要】針對(duì)小型河流和景區(qū)水域垃圾污染日益嚴(yán)重的問(wèn)題，結(jié)合MSP430F5529單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種能夠自動(dòng)清理水面漂浮物的垃圾清理船。船體使用大容量鋰電池進(jìn)行供電，控制方式支持手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種形式，手動(dòng)遙控采用2.4G航模遙控器，遙控距離遠(yuǎn)，在船體出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可確保正確返航；自動(dòng)控制系統(tǒng)采用MSP430F5529主控芯片結(jié)合超聲波、AHRS等傳感器，可實(shí)現(xiàn)船體對(duì)水面進(jìn)行“逐行式”的清理。

【關(guān)鍵詞】水面垃圾清理船；MSP430F5529；自動(dòng)控制

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，部分人環(huán)境意識(shí)薄弱，直接將垃圾丟棄于河道中，致使江河、湖泊中漂浮著大量垃圾，造成河道堵塞，水體發(fā)臭。另外景區(qū)水域由于受到發(fā)展迅猛的旅游業(yè)和自然條件的影響，水面往往漂浮著白色垃圾和落葉，使得景點(diǎn)的旅游價(jià)值大打折扣。水面垃圾對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展已造成嚴(yán)重影響，如何有效清理已迫在眉睫。

目前，日本、歐美等國(guó)家相繼投入巨額資金用于研制水面垃圾清理裝置，例如，加拿大的PELICAN公司研制的A系列1010型清掃船采用單體船型，具有清掃水面垃圾、油污水處理、曝氣、消防等4方面功能。國(guó)內(nèi)水面垃圾清理的方式主要由兩種，第一，依靠人工清理的方式，由于清理人員相對(duì)較少，工作量大、工作環(huán)境又存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此這種方式清理效果并不理想；第二，使用燃油驅(qū)動(dòng)和人工駕駛的機(jī)械裝置，例如，上海市廢棄物處置公司研制的水面漂浮物打撈船，采用雙船體設(shè)計(jì)，打撈裝置采用傳送帶形式，克服了以往人工打撈及抓斗間隙打撈的缺點(diǎn)，打撈速度快，勞動(dòng)強(qiáng)度低。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出比較先進(jìn)的水面垃圾清理裝置，但是體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以攜帶，不利于面積較小且形狀復(fù)雜多變的河道和景區(qū)水域的垃圾清理，另外使用燃油驅(qū)動(dòng)還存在著空氣及噪聲污染等問(wèn)題。

1 工作原理

1.1 總體布局

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，它內(nèi)部安裝有兩個(gè)直流電機(jī)，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)船體直行，轉(zhuǎn)彎等操作，船身上安裝由太陽(yáng)能電池板，可以對(duì)船體內(nèi)部的鋰電池進(jìn)行充電，增加船的作業(yè)范圍，船體兩側(cè)安裝有葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生正向強(qiáng)烈水流，將漂浮的垃圾收集到網(wǎng)狀的垃圾收集箱內(nèi)。

1.2 硬件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其中主控芯片使用TI公司的MSP430F5529，該芯片主頻達(dá)25MHZ，擁有8kb的ram以及256kb的flash，支持ucosII操作系統(tǒng)移植的基本需求；3個(gè)TA0定時(shí)器，支持10路PWM波輸出或捕獲，滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、遙控器模塊的需求。PWM波使用硬件產(chǎn)生器而不是軟件模擬，可以使得PWM波產(chǎn)生獨(dú)立于CPU，系統(tǒng)的效率將變得更高。使用定時(shí)器而不是使用外部中斷進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，可以使得測(cè)量精度更加精確。在利用外部中斷進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)捕獲到邊沿信號(hào)，CPU需要進(jìn)入中斷服務(wù)子程序才能對(duì)定時(shí)器的計(jì)數(shù)進(jìn)行保存，而使用定時(shí)器進(jìn)行時(shí)間捕獲時(shí)，當(dāng)邊沿信號(hào)被檢測(cè)，定時(shí)器能夠立即將當(dāng)前的計(jì)數(shù)值鎖存相關(guān)寄存器中，然后再進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，免去了進(jìn)入中斷所消耗的時(shí)間；支持2路串口，可實(shí)現(xiàn)AHRS及藍(lán)牙串口數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送；豐富的I/O，滿足不同的控制需求。

超聲波模塊用于探測(cè)岸邊或者大型障礙物，保證船體在靠近障礙時(shí)能夠及時(shí)的規(guī)避。本設(shè)計(jì)中超聲波使用KS109模塊，它具有測(cè)試距離遠(yuǎn)，波束角小等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)10度以內(nèi)的極小束角，可以有效的避免水面反射超聲波，造成測(cè)量錯(cuò)誤。另外，考慮到供電鋰電池在使用的過(guò)程中存在電壓波動(dòng)以及執(zhí)行穩(wěn)壓功能的開關(guān)電源芯片存在較大噪聲，對(duì)超聲波探測(cè)距離存在較大干擾，該傳感器具備了可調(diào)濾波降噪技術(shù)，在電源電壓受到干擾或噪聲較大時(shí)可有效抑制其對(duì)測(cè)距的影響。

AHRS傳感器內(nèi)部集成了MPU-6050三軸陀螺儀和三軸加速度芯片、HMC5883L三軸地磁芯片，結(jié)合內(nèi)部IMU算法，可以精確的測(cè)量出船體當(dāng)前的俯仰、橫滾、航向等信息，利用單片機(jī)、直流電機(jī)和PID算法可以精確的控制船體前進(jìn)時(shí)的航向。

船體采用12v直流高速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速最高可達(dá)11500RPM，電流在額定工作時(shí)為1.8A，在堵轉(zhuǎn)時(shí)電流超過(guò)14A。船體在剛運(yùn)行時(shí)，水體阻力較大，電流將超過(guò)14A，因此在本設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用高性能、大功率MOS管H橋電路，其最大支持60A電流，保證船體安全運(yùn)行。另外由于電機(jī)功率較大，對(duì)控制板可能會(huì)造成干擾，因此在輸入端增加了10M高速光耦隔離，使系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定。

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，軟件開發(fā)前，首先在F5529單片機(jī)上移植了ucosii嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是一個(gè)搶占式，多任務(wù)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器以及控制任務(wù)并行運(yùn)行。使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以使得開發(fā)人員將精力集中在應(yīng)用層軟件的開發(fā)上來(lái)，減小項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)間。另外操作系統(tǒng)隔離了軟件層和底層硬件，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

μC/OS-II擁有250個(gè)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)保留了最高以及最低的四個(gè)優(yōu)先級(jí)，用戶可以分配的優(yōu)先級(jí)范圍是4～245，且優(yōu)先級(jí)號(hào)越低所對(duì)應(yīng)的任務(wù)的優(yōu)先級(jí)就越高。由于μC/OS-II不支持多個(gè)任務(wù)共用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，因此必須為船體控制軟件的每個(gè)任務(wù)模塊分配不同的優(yōu)先級(jí)。在μC/OS-II中，擁有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)一旦就緒后，就可以立即擁有CPU使用權(quán)，因此它的運(yùn)行周期總是固定的。而最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在任務(wù)就緒時(shí)，需要等待優(yōu)先級(jí)比它高的任務(wù)運(yùn)行結(jié)束后才能被執(zhí)行，由于每次等待的時(shí)間并不一致，因此它的運(yùn)行周期是不固定的，而且這種影響隨著高優(yōu)先級(jí)任務(wù)數(shù)量以及所消耗的CPU時(shí)間的增大而增大。

根據(jù)μC/OS-II的任務(wù)管理機(jī)制，控制軟件必須結(jié)合任務(wù)的相對(duì)重要度來(lái)對(duì)個(gè)模塊的運(yùn)行優(yōu)先級(jí)進(jìn)行劃分?？刂扑惴ń馑恪HRS傳感器數(shù)據(jù)接收和電機(jī)輸出為系統(tǒng)提供控制量，它的延時(shí)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)滯后效應(yīng)，造成不穩(wěn)定，因此它們的優(yōu)先級(jí)較高，分別配置為5，6，7。超聲波數(shù)據(jù)接收模塊用于判斷當(dāng)前船體距離障礙物的距離，當(dāng)有障礙物時(shí)，船體可繞行通過(guò)?？紤]到船體的運(yùn)行速度較低，并且任務(wù)延時(shí)時(shí)間為微秒級(jí)，所造成的影響較小，因此將它的優(yōu)先級(jí)配置為8。人工控制模塊用于切換自動(dòng)和手動(dòng)控制模式，在船體出現(xiàn)自動(dòng)失效時(shí)使用，因?yàn)榇w處于慢速運(yùn)動(dòng)，因此它的延時(shí)并不會(huì)影響到船體的安全性，因此將其的優(yōu)先級(jí)配置為9。顯示控制模塊主要是在船體調(diào)試時(shí)使用，將船體當(dāng)前的數(shù)據(jù)下發(fā)到上位機(jī)上，如果它的運(yùn)行周期不固定并不影響系統(tǒng)的可靠性，因此將它的優(yōu)先級(jí)定為最低的等級(jí)10。

電機(jī)模塊接收來(lái)自人工控制模塊和自動(dòng)控制模塊的電機(jī)控制值，由于電機(jī)的速度與PWM波的占空比存在著正比關(guān)系，因此本任務(wù)需要將控制值轉(zhuǎn)化為PWM波的高電平脈寬時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要將F5529內(nèi)部的Timer_A定時(shí)器設(shè)置為PWM輸出模式，將控制捕獲和比較模式的CAP寄存器設(shè)置為0，使用CCR0寄存器來(lái)配置PWM波的輸出周期，CCR1寄存器來(lái)配置PWM波的高電平時(shí)間。為了能夠使得電機(jī)速度控制得更加平滑，PWM波的輸出頻率不能過(guò)低，因此將PWM周期設(shè)置為1ms。

超聲波模塊使用IIC總線進(jìn)行通訊，模塊初始化時(shí)通過(guò)置位F5529內(nèi)部UCB1CTL0寄存器中的UCMST、UCMODE_3、UCSYNC三個(gè)狀態(tài)位，將F5529內(nèi)部的USCI_B模塊配置為IIC同步模式，并且使用UCB1BR0和UCB1BR1兩個(gè)寄存器將波特率配置為100khz。超聲波探測(cè)距離時(shí)，需要使用IIC總線向其發(fā)送一個(gè)0xb4命令，它是一個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)木嚯x探測(cè)命令，探測(cè)距離為0-5m。為了保證在探測(cè)超聲波返回之前沒有第二個(gè)探測(cè)信號(hào)發(fā)出，兩次探測(cè)命令的最小間隔應(yīng)該保持的87ms以上，因此將該模塊任務(wù)周期設(shè)置為100ms。

人工控制模塊使用Timer_A定時(shí)器捕獲遙控接收器三個(gè)通道的PWM波高電平脈寬時(shí)間，在初始化時(shí)，將定時(shí)器設(shè)定為上升沿和下降沿雙邊沿觸發(fā)模式，通過(guò)判斷TA0CCTL0寄存器中的CCI位來(lái)判斷當(dāng)前的邊沿類型。定時(shí)器計(jì)數(shù)模式采用連續(xù)計(jì)數(shù)模式，它的最大計(jì)數(shù)值是65535，因此在做時(shí)間計(jì)算時(shí)，還需要考慮到計(jì)數(shù)器溢出的問(wèn)題。另外，由于遙控器信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中存在一定的干擾，造成測(cè)量的PWM波信號(hào)會(huì)出現(xiàn)偶爾的跳動(dòng)，因此還需要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，僅當(dāng)多次連續(xù)測(cè)量的PWM時(shí)間小于一定值，才能將當(dāng)前模式切換為人工模式。

2 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)于環(huán)境的要求日益提高。景區(qū)水域?yàn)榱吮ＷC不受漂浮物的污染，往往使用傳統(tǒng)人工方式進(jìn)行清理，消耗大量人力并存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)性。本設(shè)計(jì)使用MSP430F5529作為主控芯片，結(jié)合相應(yīng)的傳感器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了船體能夠在不受人干擾的情況下，自主地對(duì)水面垃圾進(jìn)行清理，并在機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)接受人工控制，滿足景區(qū)水域垃圾清理的要求。

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[責(zé)任編輯：王楠]