“海上鯊魚” 一種基于沿岸海域的垃圾收集裝置

李文翹　郭紅蓮　陳增爽　李樂　牛定超 李虎霖

摘要：“海上鯊魚”垃圾收集裝置是基于雙體船結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。一方面，該裝置兩邊夾層結(jié)構(gòu)均采用玻璃鋼復(fù)合材料，其相互固定為裝置提供了所需的浮力。通過船體的安裝孔，將收集筐通過軸、齒輪以及電機(jī)進(jìn)行聯(lián)接;另一方面，通過自主設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動電路、信號采集電路、電源電路系統(tǒng)，將GPS 信號、電池電壓檢測數(shù)據(jù)采集等數(shù)據(jù)實(shí)時采集?！昂Ｉ硝忯~”的處理器選用MC56F8367，并采用OV6620數(shù)字?jǐn)z像頭作為沿岸海域垃圾信息的數(shù)據(jù)采集模塊。以上兩部分配合電機(jī)的轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)收集筐的正反向翻轉(zhuǎn)和漂浮物的傾倒，從而實(shí)現(xiàn)收集漂浮物的功能。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含了四個方面創(chuàng)新。首先，通過連桿、軸、齒輪與電機(jī)相聯(lián)接，為收集筐的翻轉(zhuǎn)提供轉(zhuǎn)動副和動力，利用超聲波傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對垃圾的收集。其次，通過發(fā)散檢測和單向檢測的方法對垃圾圖像進(jìn)行處理。再次，設(shè)計(jì)制作了GPS 信號、電池電壓檢測電路，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。最后，通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法對沿岸海域路徑進(jìn)行識別和船體速度進(jìn)行控制等。

關(guān)鍵詞：雙體船結(jié)構(gòu);垃圾收集裝置;機(jī)械;沿岸海域

1.“海上鯊魚”系統(tǒng)概述

隨著沿岸海域的工農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展以及濱海旅游業(yè)的興起，沿岸海域環(huán)境中越來越多的垃圾對環(huán)境和生物資源造成不同程度損害，成為海洋環(huán)境中主要污染現(xiàn)象之一。沿岸海域的垃圾主要為漂浮垃圾、人類活動產(chǎn)生的海洋垃圾數(shù)量驚人，沿岸海域的垃圾對海洋景觀造成了嚴(yán)重污染，影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康，還可能威脅航行安全，進(jìn)而對海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。如果不采取有效措施，海洋生態(tài)環(huán)境將無法負(fù)荷，人類也將深受其害。部分海洋垃圾長期浸泡后會釋放藥物殘留及化學(xué)物質(zhì)，直接或間接對人類身體健康造成損害。另外，大量海洋垃圾散落在旅游度假區(qū)海灘，影響景區(qū)美觀，從而影響海洋旅游業(yè)的發(fā)展。

除了垃圾之外，海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然帶動航運(yùn)業(yè)的飛速發(fā)展，船舶不斷增加，超大型油輪和更多新型的液化氣船也會越來越多，沿海各種小型船舶種類也數(shù)不勝數(shù)，會面臨著運(yùn)營船舶違章排放、維修保養(yǎng)中的殘油和洗艙水的排放、油品駁運(yùn)泄漏、船舶事故性溢油等污染新的難題。

若不及時進(jìn)行處理上述情況，勢必影響自然景觀和近岸海域生態(tài)環(huán)境。針對以上問題，項(xiàng)目組成員從實(shí)際出發(fā)，基于雙體船結(jié)構(gòu)并結(jié)合軟硬件，通過船體類型、收集方式、動力部分結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊沿岸海域垃圾的清理和傳輸?shù)墓δ?，來達(dá)到對“海上鯊魚”的智能控制，使之簡單輕便，美觀大方，增大承載容積和載荷能力的同時，降低本身重量，提高使用壽命，減少噪聲，更加人性化、自動化，更加方便人們的使用和適應(yīng)時代的發(fā)展，對營造綠色的生存環(huán)境有著重要的意義與積極的作用。

2.系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

2.1“海上鯊魚”結(jié)構(gòu)方案擬定

“海上鯊魚”根據(jù)鯊魚的外形仿制而來，為了保證其在沿岸海域的平衡性、穩(wěn)定性，雙體船工作更加可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，同時收集裝置更易于安裝。故船體結(jié)構(gòu)采用雙體船的結(jié)構(gòu)，將垃圾收集裝置安裝在雙體船兩片體之間，收集艙置于雙體船兩片體中?！昂Ｉ硝忯~”船體以及兩邊夾層結(jié)構(gòu)均采用玻璃鋼復(fù)合材料，其可以減少部件、連接件和緊固件的數(shù)量，以及生產(chǎn)步驟。通過降低重心，可以顯著減輕質(zhì)量，提高穩(wěn)定性。玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾層結(jié)構(gòu)一般是由高強(qiáng)度的上下面板和輕質(zhì)芯材組成的一組結(jié)構(gòu)材料

“海上鯊魚”船體夾層結(jié)構(gòu)，主要承受橫向載荷，即要求夾層結(jié)構(gòu)的面板有足夠的抗彎剛度與彎曲強(qiáng)度，芯層有足夠的橫向抗剪能力。面板采用玻璃鋼，芯層部分采用蜂窩結(jié)構(gòu)、泡沫、輕木等。夾層結(jié)構(gòu)之所以不同于層合結(jié)構(gòu)，主要在于通過低密度的芯層材料，使上下面板遠(yuǎn)離中性面，提高面板抗彎特性，在總質(zhì)量微小增加的情況下，大幅度提高整體抗彎能力。

2.2收集裝置安裝位置及方式方案

“海上鯊魚”的垃圾收集裝置采用的是中置式收集裝置，將收集筐安裝在“海上鯊魚”船體中間位置，為裝置提供了良好的安裝環(huán)境，裝置安裝便捷，拆卸方便，同時雙體船結(jié)構(gòu)也使得收集工作更加穩(wěn)定。

“海上鯊魚”的收集方式為鏟斗式，采用電機(jī)驅(qū)動，沿岸海域的漂浮垃圾都可以用該裝置收集，適用范圍廣，也比較適合連續(xù)作業(yè)。

“海上鯊魚”的動力部分為整個裝置提供能源，選用的動力裝置有蓄電池，蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是低噪音，無污染，不會對水面造成污染，影響水質(zhì)及水生生物。市面上常有的蓄電池主要分為三類，分別為普通蓄電池、干荷蓄電池和免維護(hù)蓄電池三種。經(jīng)過比較，選擇免維護(hù)蓄電池，由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。

針對“海上鯊魚”船體類型、收集方式、動力部分三個部分的方案擬定，“海上鯊魚”設(shè)計(jì)經(jīng)過三維建模裝配，最終設(shè)計(jì)方案如圖2-4 所示?！昂Ｉ硝忯~”船體以及兩邊夾層結(jié)構(gòu)均采用玻璃鋼復(fù)合材料相互固定，形成穩(wěn)定的雙體船結(jié)構(gòu)。“海上鯊魚”的垃圾收集裝置采用的是中置式收集裝置，將收集筐安裝在“海上鯊魚”船體中間位置，借助船體的安裝孔，收集筐通過軸、齒輪以及電機(jī)聯(lián)接，安裝于船體中間位置。通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動收集筐的正反向翻轉(zhuǎn)和漂浮物的傾倒，實(shí)現(xiàn)收集漂浮物的功能，滿足了拆裝方便與連續(xù)作業(yè)等設(shè)計(jì)需求。

采用iTop4412 核心板正好可以滿足“海上鯊魚”控制系統(tǒng)的需求，iTop4412 核心板引出了大多數(shù)處理器PIN 腳資源，可以滿足“海上鯊魚”控制系統(tǒng)開發(fā)需求。驅(qū)動模塊主要是對葉輪，轉(zhuǎn)動電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計(jì);主控電路包括串口通信電路設(shè)計(jì)、USB 接口電路、以太網(wǎng)電路、以及留有對應(yīng)于核心板的接口，以便核心板連接到主控電路板上。電池電壓在本系統(tǒng)中需要時刻進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電路低于一定值時，以便回收“海上鯊魚”。

2.3系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

整個“海上鯊魚”系統(tǒng)的供電由大容量的鋰電池供電?！昂Ｉ硝忯~”系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行需要可靠的電源，iTop4412 核心板使用了三星的電源管理芯片S5M8767A，電源芯片S5M8767 的輸入電壓范圍是 3.5v-5.5v，但是它的最佳輸入電壓是3.7V-4.2V，平均在4V左右，此時電源管理芯片S5M8767A 處于最佳工作狀態(tài)，“海上鯊魚”系統(tǒng)中需要為S5M8767A 提供4V 電源電壓供電，同時它能夠提供9 路不同的電壓的DC/DC 輸出、28 路LDO 不同電壓不同驅(qū)動能力的電源輸出。此外，“海上鯊魚”系統(tǒng)中舵機(jī)需要5V 供電，GPS 模塊需要3.3V 供電，USB 接口需要5V 供電等?！昂Ｉ硝忯~”系統(tǒng)中采用的是大容量鋰電池提供12V 的電壓為系統(tǒng)供電，因此需要設(shè)計(jì)電源電路為各個模塊供電。

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