智能型水面垃圾清理器控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

李思雨，吳艷娟，王 帆，胡遠(yuǎn)杰

（天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384）

智能型水面垃圾清理器控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

李思雨，吳艷娟，王 帆，胡遠(yuǎn)杰

（天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384）

該文設(shè)計了一種無人駕駛智能型水面垃圾清理器控制系統(tǒng)。以STC89C52單片機作為硬件平臺，結(jié)合PID算法對清理器進(jìn)行控制，保障了清理器的平穩(wěn)運行。該系統(tǒng)結(jié)合WiFi無線控制、視頻實時傳輸和紅外自動避障等技術(shù)，與傳統(tǒng)人力駕駛的水面清理器相比較，實現(xiàn)了無人駕駛的智能化控制。最后通過仿真驗證和設(shè)計樣機的實際測試，證明了該設(shè)備的高效性。

控制系統(tǒng)；水面垃圾清理；PID；單片機；WiFi

河流、湖泊水面上的大量漂浮垃圾，勢必影響河流、湖泊的水質(zhì)。水面垃圾的清理成為重要的環(huán)境治理問題，直接關(guān)系著整個生態(tài)系統(tǒng)，需尋找有效的垃圾清理方法。目前，水面垃圾的清理仍多采用人工駕駛船只打撈的辦法，這種傳統(tǒng)的打撈方式存在著人力、物力浪費大的弊端，并且無法解決狹小、多彎水域的垃圾清理問題。為此，有必要設(shè)計節(jié)能環(huán)保、能夠適應(yīng)各種水域、行動靈活的智能型垃圾清理器。

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[1]，在國外已經(jīng)出現(xiàn)多種水面垃圾清理裝置。例如，美國聯(lián)合國際船舶公司研制的系列清掃船采用雙體船型，配備2套Z型推進(jìn)裝置。該船線型簡單，主要用于清理水面垃圾。其主要作業(yè)機具包括導(dǎo)流門、船首傳送帶、垃圾箱、船尾傳送帶。我國研制的垃圾清理裝置，如天津新港船廠建造的水上清掃船“方通號”，2001年11月21日在天津海河下水。該船具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點，以電為動力，進(jìn)行電動全回轉(zhuǎn)推進(jìn)，對水體沒有污染且行動比較靈活。然而，上述垃圾清理裝置存在船體的體積較大、排水量大、船上有人駕駛、噪聲較大、且價格比較昂貴等缺點，不適用于小面積水域的垃圾清理。

針對以上問題，本文提出了水面垃圾清理器系統(tǒng)，以改進(jìn)大型垃圾清理裝置的不足。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

水面垃圾清理器系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，通過WiFi無線控制[3]，由手機端軟件控制水面垃圾的清理，具有視頻實時傳輸、顯示和自動避障[4]等功能，無需人力駕駛。清理器的動力采用環(huán)保的鋰電池，通過直流電機帶動螺旋槳使清理器運動。電機的控制采用PID算法控制。

該系統(tǒng)由上位機和下位機組成。其中，下位機由STC89C52單片機、WiFi模塊、高清攝像頭、舵機云臺、紅外避障模塊、直流電機、直流電機驅(qū)動、垃圾打撈裝置等模塊構(gòu)成；上位機編寫Android應(yīng)用程序，用于控制清理器運動及實時顯示水面情況。清理器控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水面垃圾清理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Surface garbage collector system structure

該系統(tǒng)的設(shè)計特點：①清理器的控制系統(tǒng)具有高效的運行效率，采用WiFi無線控制，能夠?qū)崟r顯示水面情況；②具有良好的靈活性，行駛過程穩(wěn)定，清理垃圾十分高效，能夠自動躲避水面上的障礙物，防止碰撞；③具有良好的可擴展性，為日后系統(tǒng)升級提供便利。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 WiFi模塊與攝像頭

WiFi模塊選取TP-LINK WR703N路由器進(jìn)行改裝，刷入OpenwWrt固件，安裝攝像頭驅(qū)動，Ser2net串口轉(zhuǎn)發(fā)軟件、mjpg-streamer視頻解析軟件并設(shè)置為隨機啟動。該WiFi模塊作為信號的接收和發(fā)送中心，利用上位機把特定的數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器，路由器的串口為TTL線接口，將路由器的TTL線接到單片機上對應(yīng)的串口上，就可以實現(xiàn)上位機與單片機的串行通信。USB攝像頭與WiFi模塊相連，通過手機連接WiFi，手機端上位機界面就能夠?qū)崟r顯示水面的情況[5]。

2.2 舵機云臺

為了使攝像頭呈現(xiàn)的視野更開闊，在其下增加舵機云臺。由于舵機工作時電流較大，在與單片機連接時需加舵機驅(qū)動板，舵機云臺的控制信號由上位機發(fā)送指令，通過WiFi模塊與單片機建立聯(lián)系，通過控制單片機輸出PWM信號變化來控制舵機的角度變化。

2.3 紅外避障模塊

為了使清理器能夠自動避開水面上障礙物，裝配了紅外避障傳感器。采用集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，當(dāng)檢測到障礙物時，反射的紅外信號被接收管接收，通過接口將信號輸入單片機，由單片機控制電機運動，進(jìn)行自動避障。檢測距離根據(jù)需要可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小等優(yōu)點。紅外傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 紅外傳感器原理Fig.2 Infrared sensor principle

2.4 電機及其驅(qū)動模塊

直流電機的驅(qū)動方式采用脈沖寬度調(diào)制PWM。電機驅(qū)動芯片采用L298N，通過單片機PWM調(diào)速，L298N可以驅(qū)動兩組直流電機，其單組驅(qū)動電流可達(dá)2 A。電機的轉(zhuǎn)動通過上位機發(fā)送指令，通過WiFi將指令傳送至單片機，從而控制電機的正反轉(zhuǎn)。電機轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定運行采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)[5]，使垃圾清理器能夠平穩(wěn)的工作。在發(fā)出清理器啟動運行的指令后，逐步加大PWM信號的輸出，直至電機速度達(dá)到給定速度。停止時也運用同樣的方法，逐步減小PWM信號的輸出直至電機停止。清理器在前進(jìn)時M1和M2同時正轉(zhuǎn)，后退時M1和M2同時反轉(zhuǎn)，左右轉(zhuǎn)向時M1，M2一個正轉(zhuǎn)、一個反轉(zhuǎn)通過2電機轉(zhuǎn)速差進(jìn)行轉(zhuǎn)向。電機運動狀態(tài)如表1所示，輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速。

表1 電機運動狀態(tài)Tab.1 Motor motion state

2.5 系統(tǒng)電路原理

系統(tǒng)電路原理如圖3所示。由上位機連接到WiFi模塊，向WiFi模塊發(fā)送控制指令。WiFi模塊接收到數(shù)據(jù)后通過內(nèi)部的串口發(fā)送軟件，將接收到的指令通過串口發(fā)送到STC89C52單片機的串口端，單片機接收到上位機發(fā)出的指令后執(zhí)行相應(yīng)的操作，如垃圾的清理、清理器的運動、舵機的轉(zhuǎn)動等。攝像頭將采集的水面圖像通過WiFi模塊發(fā)送到上位機，并在上位機軟件上顯示攝像頭采集到的圖像信息。

圖3 系統(tǒng)電路原理Fig.3 System circuit principle

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 電機運動的PID控制

PID控制器由比例單元P，積分單元I和微分單元D組成。PID控制的基礎(chǔ)是比例控制；積分控制可消除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分控制可加快大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度以及減弱超調(diào)趨勢。

模擬PID控制器的控制規(guī)律為

式中：r（t）為給定量；y（t）為實際輸出值；e（t）為控制偏差；u（t）為被控對象的輸入；KP為比例系數(shù)；TI為積分常數(shù)；TD為微分常數(shù)；u0為控制常量。

在數(shù)字PID控制算法中，由于增量式PID控制算法具有計算量小等優(yōu)點，在實際中得到廣泛應(yīng)用，增量式PID控制算法公式為

式中：ek為第k次采樣時刻輸入的偏差值；ek-1為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；ek-2為第k-2次采樣時刻輸入的偏差值；uk為第k次采樣時刻的輸出值；uk-1為第k-1次采樣時刻的輸出值；Δuk為控制量的增量；T為采樣周期。

本設(shè)計中電機驅(qū)動模塊采取PID速度閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 電機控制示意Fig.4 Motor control schematic

在運動過程中通過切割旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生脈沖信號，得出電機運行速度，與給定速度相比較，取3次速度偏差值；經(jīng)PID控制器處理，得到處理后的速度修正量；將采集到的脈沖信號經(jīng)單片機處理，輸出PWM脈沖，保持電機穩(wěn)定的運行。其控制流程如圖5所示。

圖5 PID控制流程Fig.5 Flow chart of PID control

3.2 清理器系統(tǒng)程序流程

清理器控制程序采用C語言程序編寫，通過WiFi模塊和單片機將紅外避障模塊、舵機云臺、電源、電機以及垃圾清理裝置連接成一個系統(tǒng)，由上位機軟件控制清理器的工作。當(dāng)上位機發(fā)送指令后，指令經(jīng)WiFi模塊傳入單片機，單片機串口接受指令后，判斷接收的指令，按照預(yù)先設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)指令的功能。系統(tǒng)的程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程Fig.6 System program flow chart

3.3 實驗結(jié)果

在Matlab仿真系統(tǒng)中，采用PID控制算法對電機運動進(jìn)行仿真[6]。經(jīng)過大量試驗，取得KP=10，KI=10，KD=15[8]。通過WiFi控制電機運動時，電機啟動時的單位階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖可見，采用增量式PID控制構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，超調(diào)量減少、響應(yīng)速度加快、穩(wěn)定時間短，可以大大提高清理器電機的響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。試驗中通過WiFi控制清理器的運動時，在上位機發(fā)出的指令，清理器的各個部分都能準(zhǔn)確地執(zhí)行相應(yīng)的操作。上位機控制清理器的界面如圖8所示，試驗制作的清理器實物如圖9所示。

圖7 電機的階躍響應(yīng)Fig.7 Step response of motor

圖8 上位機控制界面Fig.8 PC control interface

圖9 清理器實物Fig.9 Collector physical figure

4 結(jié)語

本文設(shè)計的智能化水面垃圾清理器，實現(xiàn)了視頻采集與傳輸、速度穩(wěn)定控制以及自動躲避障礙物等功能。運用本系統(tǒng)設(shè)計制作的水面垃圾清理器樣機，WiFi信號被手機連接，上位機發(fā)出控制指令，清理器準(zhǔn)確無誤地作出相應(yīng)的動作，能夠?qū)⒗鴱乃娲驌破饋聿Υ?，達(dá)到設(shè)計的預(yù)期功能。目前，遙控半徑為20 m左右，若更換性能更加優(yōu)質(zhì)的天線，有效控制范圍更大。對于景區(qū)等小面積水面的垃圾清理工作，在很大程度上提高了漂浮垃圾收集的效率和垃圾收集的范圍，減少工作人員的工作強度，具有較高的應(yīng)用前景。

[1] 康宇，劉國平.自動控制技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展（專輯序言）[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，2014，34（12）：1419-1420.

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Research and Implementation of Intelligent Surface Garbage Collector Control System

LI Si-yu，WU Yan-juan，WANG Fan，HU Yuan-jie
（Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Applications in Complicated System，School of Electrical and Electronic Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

An intelligent water surface garbage cleaning controller system is designed.The STC89C52 microcontroller is selected as the system hardware platform.By using PID algorithm to control the collector could ensure the smooth operation of the collector.The system combines new technologists such as WiFi wireless control，real-time video transmission and an automatic obstacle-avoidance function.Compared with the traditional human-driven surface cleaner，it realizes intelligent control of unmanned driving.Finally，the actual test of the prototype is verified by simulation，and the efficiency of this device is proved.

control system；surface garbage collector；PID；micro controller；WiFi

TP368.1

B

1001-9944（2017）11-0045-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.011

2017-04-20；

2017-08-16

天津理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目（201610060142）

李思雨（1996—），男，在讀本科生，研究方向為運動控制；吳艷娟（1973—），女，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向智能控制、運動控制等。