平流沉淀池集水槽青苔清理機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用

汪文煌 周勇 徐成明

[摘? ? 要]在水廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，平流沉淀池集水槽和水接觸的地方會(huì)長(zhǎng)滿(mǎn)青苔是一個(gè)相當(dāng)普遍的問(wèn)題，并且難以解決。本文介紹了一種平流沉淀池集水槽青苔清理機(jī)器人，該機(jī)器人能夠很好的清理集水槽中的青苔，為水產(chǎn)生產(chǎn)提供支持。

[關(guān)鍵詞]集水槽;青苔清理機(jī)器人;水廠(chǎng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU991.23 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]In the production process of waterworks， it is a very common problem that moss grows in the place where the collecting tank of horizontal sedimentation tank contacts with water， and it is difficult to solve it. This paper introduces a kind of moss cleaning robot in the collecting tank of horizontal flow sedimentation tank. The robot can clean the moss in the collecting tank and provide support for aquatic production.

[Keywords]water collecting tank; moss cleaning robot; water plant

目前以地表水作為水源水，有95%以上的水廠(chǎng)都采用常規(guī)水處理工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中平流沉淀池的出水集水槽與水接觸的地方會(huì)長(zhǎng)滿(mǎn)青苔是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，至今沒(méi)有企業(yè)能解決這個(gè)問(wèn)題，特別是在春夏秋三個(gè)季節(jié)，青苔生長(zhǎng)影響水廠(chǎng)衛(wèi)生形象而且影響供水水質(zhì)。從目前供水行業(yè)來(lái)看，處理平流沉淀池的出水集水槽青苔的方式主要采用人工刷洗和前加氯兩種方式，但這兩種方式效果均不理想，無(wú)法清理干凈，同時(shí)這兩種清理方式帶來(lái)的隱患也很大，供水行業(yè)至今無(wú)更好的解決辦法。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

智能溢流槽青苔清理機(jī)器人采用機(jī)械刷洗的方式去除溢流槽表面附著的青苔;在刮泥機(jī)軌道上架設(shè)一臺(tái)簡(jiǎn)易行架，行架沿著刮泥機(jī)軌道運(yùn)行，機(jī)器人在行架上行走，清洗頭刷洗溢流槽表面，全部動(dòng)作由多套控制系統(tǒng)配合完成。如圖1所示。

智能集水槽青苔清理機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、行架控制系統(tǒng)、軌道掃描識(shí)別系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、云平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等部分組成。

1.2 基本組成

1.2.1 機(jī)器人本體

機(jī)器人本體為清理系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的工作載體，主要由驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、機(jī)器人殼體等組成。

1.2.2 位置隨動(dòng)系統(tǒng)

位置隨動(dòng)系統(tǒng)保證清理系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)序內(nèi)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)至清理點(diǎn)，為清理溢流槽壁做準(zhǔn)備，主要由移動(dòng)滑臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臂、升降桿、距離傳感器、接觸器等組成。如圖2所示。

1.2.3 清理系統(tǒng)

機(jī)器人的主要執(zhí)行部件主要由錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、清理電機(jī)、清理主軸、清理刷頭、壓力傳感器、接觸器等組成。如圖3所示。

1.2.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為機(jī)器人本體提供精確穩(wěn)定的位移動(dòng)力，保證清理系統(tǒng)精確的空間全方位位置行走能力，主要由高精度直流伺服電機(jī)、直齒輪傳動(dòng)系、錐齒輪傳動(dòng)系、高精密滾珠絲桿、位置信號(hào)反饋器等組成，如圖4所示。

1.2.5 變軌系統(tǒng)

變軌系統(tǒng)為機(jī)器人跨軌道清理作業(yè)的輸送機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)器人清理多個(gè)溢流槽的功能，主要由變軌伺服電機(jī)、齒輪傳動(dòng)系、提升臂、抓緊機(jī)構(gòu)、變軌驅(qū)動(dòng)輪、接觸器、行程開(kāi)關(guān)等組成。如圖5所示。

1.2.6 智能控制系統(tǒng)

綜合各類(lèi)傳感器、執(zhí)行器、智能控制系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)硬件、云平臺(tái)終端數(shù)據(jù)庫(kù)及上位機(jī)軟件為一體的智能化網(wǎng)絡(luò)。如圖6所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 定位及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

本文采用CCD掃描軌道定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的位置定位，為小車(chē)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和動(dòng)作指令提供依據(jù)。通過(guò)Wifi無(wú)線(xiàn)模塊和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成小車(chē)、云平臺(tái)、后臺(tái)用戶(hù)界面三位一體的對(duì)接，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能控制提供技術(shù)支持。

2.2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制

完善的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件和通暢的信息交互。把小車(chē)控制器和后臺(tái)電腦緊密連接，把位置信息傳到后臺(tái)電腦終端，并顯示在電腦的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)地圖軟件中，并有數(shù)據(jù)透?jìng)髂K把小車(chē)外圍環(huán)境用視頻傳回到后臺(tái)控制室，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和定位功能，在后臺(tái)控制室也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制模式對(duì)小車(chē)進(jìn)行控制。

2.3 高性能核心處理器和終端

小車(chē)車(chē)載嵌入式處理器ARM系列芯片，實(shí)現(xiàn)高速、高效、復(fù)雜算法的處理。終端采用云服務(wù)和后臺(tái)處理專(zhuān)用軟件，具有保存數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行托管等功能。實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、自動(dòng)化運(yùn)行。

2.4 避障技術(shù)

通過(guò)激光雷達(dá)掃描避障技術(shù)，識(shí)別橫檔和側(cè)邊障礙。激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。從工作原理上講，與微波雷達(dá)沒(méi)有根本的區(qū)別。向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)。

工作在紅外和可見(jiàn)光波段的，以激光為工作光束的雷達(dá)稱(chēng)為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖，激光本身具有非常精確的測(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米，而系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、及慣性測(cè)量單元（IMU）三者同步等內(nèi)在因素。并控制機(jī)械臂配合完成穿躍障礙動(dòng)作。

2.5 精準(zhǔn)位置控制

控制電機(jī)采用伺服電機(jī)配合高精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。針對(duì)多自由度機(jī)器人軌跡跟蹤控制的問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID復(fù)雜的控制方法，利用粒子群算法的全局優(yōu)化能力和較強(qiáng)的趨同能力提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)。該方法是基于基本BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的向后誤差傳播，調(diào)整對(duì)應(yīng)于所述更新粒子位置的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值，充分利用粒子群算法的全局優(yōu)化能力強(qiáng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反向傳播特性好的特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，該方法可以?xún)?yōu)化動(dòng)態(tài)過(guò)程，降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，克服傳統(tǒng)PID控制方法的不足，對(duì)控制技術(shù)有良好的價(jià)值。實(shí)現(xiàn)控制精細(xì)化，準(zhǔn)確化。

2.6 智能規(guī)劃清理路線(xiàn)

工作模式a;小車(chē)可以進(jìn)行系統(tǒng)掃描，自行解算運(yùn)動(dòng)方案，繼而執(zhí)行清理動(dòng)作，自動(dòng)解算算法采用3D打印的工步逐進(jìn)技術(shù)。

工作模式b：人為在后臺(tái)控制中心，通過(guò)人機(jī)交互界面預(yù)先設(shè)定清理路線(xiàn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)叫≤?chē)控制中心。小車(chē)按照設(shè)定路線(xiàn)，并結(jié)合位置定位實(shí)時(shí)校正路線(xiàn)，進(jìn)而完成清理過(guò)程。清掃過(guò)程采用3D打印的工步逐進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有序的全方位無(wú)死角清潔。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 清洗效果

清洗過(guò)后水槽表面潔凈無(wú)青苔附著，漏點(diǎn)少，比人工清洗和前加氯效果好。如圖7所示。

3.2 安全性

沒(méi)有人員直接清理，減少了工作人員危險(xiǎn)，機(jī)器人具有多種傳感器保證正常工作。

3.3 清洗效率

成品后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化清理，清理時(shí)間可自由設(shè)定，效率更高。

3.4 使用便捷性

操作方便，設(shè)置上可一鍵啟動(dòng)，整機(jī)在15～20kg，搬運(yùn)方便無(wú)需其他工具。

3.5 可操作性

操作無(wú)特殊要求，簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可。

4 結(jié)語(yǔ)

集水槽青苔清理機(jī)器人即可以根據(jù)設(shè)定好的工作周期開(kāi)展清理工作，也可根據(jù)人工指令開(kāi)展工作。新型刷頭能夠?qū)⒓鄹鱾€(gè)死角部位的青苔清理干凈。成功的用機(jī)器代替人工，避免了人工清理帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

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