水面智能保潔機器人的研究與設(shè)計

石銀安, 陳啟春, 袁 寬, 李 強, 龔 慧, 陳智文, 于漪丁, 呂林活

(東方水利智能科技股份有限公司, 四川 德陽 618000)

我國地域?qū)拸V,水域遼闊,隨著國家對河長制、湖長制等相關(guān)政策的發(fā)布與施行,水環(huán)境保護日益變得更加重要。中小型水庫、湖泊、城市河道及公園、景區(qū)、特色建筑、生活小區(qū)等場所的景觀水面,因氣候變換及人類活動,水面常會產(chǎn)生樹木枝葉、水草、浮萍及各種生活垃圾,需要開展常態(tài)化的清污保潔工作才能保證水面的清潔衛(wèi)生,但這些水域的水面漂浮污物存在種類繁多、形狀各異、位置分散、大小不一以及形成時間、位置不確定等情況,給清污保潔工作帶來較大的難度。經(jīng)過廣泛調(diào)研,發(fā)現(xiàn)該類水域漂浮污物清理屬于臟、難、險“3D”(dirty、difficult、dangerous)工作場景,保潔工作人員存在年齡大、文化低、收入少等突出問題,年輕人越來越不愿從事該類行業(yè)工作,隨著國家人口數(shù)量紅利的消失,將會越來越難找到合適的清污作業(yè)人員[1-3]。為此,研究與設(shè)計系列化具備適應(yīng)能力強、智能化程度高的水面智能保潔機器人是非常必要的。水面智能保潔機器人可實現(xiàn)功能如圖1所示。

圖1 水面智能保潔機器人可實現(xiàn)功能

目前,國內(nèi)外在水面漂浮污物清理保潔方面已有一些清潔機器設(shè)備、無人船出現(xiàn),但存在船體小、漂浮污物收集量小、漂浮污物不能太大、續(xù)航時間有限的問題[4-5]。美國巴爾的摩港(Baltimore Harbor)的“垃圾輪先生”(Mr.Trash Wheel)是一種固定式的自動清潔裝置,清潔漂浮污物的效率高[6]。但是存在一定的缺陷,如船體太小、動力不足,作業(yè)時間短等,特別是智能化程度較低,基于嵌入式系統(tǒng),沒有通用計算機平臺,無法運行人工智能和復(fù)雜智能感知系統(tǒng)。該類裝置未搭載復(fù)雜障礙探測系統(tǒng)和智能識別系統(tǒng),無法在復(fù)雜河道中自主巡航和避障,屬于無人機械船系列。本系列化研究與設(shè)計的水面智能保潔機器人具有實時監(jiān)測工作狀態(tài)、航行精度高、自主巡航、智能?？俊o人充電、線下景觀與云端數(shù)據(jù)共享的特點,適用于城市河道、小型河流、人工湖及公園、景區(qū)、特色建筑、生活小區(qū)等場所的水面保潔。目前,已推出小型和中型兩種規(guī)格的水面智能保潔機器人,“河寶”DF-H4s型水面智能保潔機器人(圖2)和“河寶”DF-H4m型水面智能保潔機器人(圖3)。

圖2 “河寶”DF-H4s型水面智能保潔機器人

圖3 “河寶”DF-H4m型水面智能保潔機器人

1 機器人本體設(shè)計

1.1 浮體設(shè)計

水面智能保潔機器人的浮體采用雙體結(jié)構(gòu)(圖4),其主要優(yōu)點為: ①雙體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;②雙體結(jié)構(gòu)寬度相對較大,兩船體之間的空間開闊,有利于安裝漂浮污物收集艙、輔助漂浮污物收集聚料導(dǎo)漂板、控制系統(tǒng)等零部件;③雙體結(jié)構(gòu)兩浮體內(nèi)填充防水發(fā)泡材料,既可滿足浮力要求,又可防止智能保潔機器人沉沒,使船體更加安全;④雙體結(jié)構(gòu)浮體分為左右兩個,橫搖時回復(fù)力矩是同樣排水量的單體結(jié)構(gòu)的若干倍,使船體更加穩(wěn)定。在進行水面漂浮污物清理時,穩(wěn)定性非常重要,雙體結(jié)構(gòu)可以在承受較大風浪的前提下仍能穩(wěn)定工作;⑤浮體框架及面板采用了鋁合金、碳纖維等材料制作而成,具有強度高、質(zhì)量輕、防碰撞等性能。

圖4 雙體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 漂浮污物收集艙設(shè)計

漂浮污物進入漂浮污物收集艙以后,保潔機器人的重心會隨著漂浮污物的增加發(fā)生一定變化,將對機器人行進過程中的靈活性、行進速度及漂浮污物清理效率造成影響,因此漂浮污物收集艙選用可濾水結(jié)構(gòu)呈長方體設(shè)計結(jié)構(gòu)。整個漂浮污物收集艙設(shè)置在雙側(cè)對稱浮體結(jié)構(gòu)中間框架內(nèi),收集艙整體框架設(shè)計采用鋁合金材料進行構(gòu)建,周圍和底部覆蓋鏈板及濾網(wǎng)。在實際作業(yè)過程中,打撈網(wǎng)鏈收集上來的漂浮污物進入收集艙內(nèi),堆積固定時間或到達一定高度后,收集艙輸送網(wǎng)鏈往后運動一定距離,逐漸到達機器人收集艙尾端進行漂浮污物儲存,待收集艙滿艙后進行卸料提醒,機器人滿載返航到卸料區(qū)進行卸料。

1.3 動力裝置設(shè)計

以前的水面漂浮污物清理裝置主要是采用螺旋槳或者葉輪來作為動力裝置。其中阻礙螺旋槳雖然具有較強的動力,但靈活性較差,并且在實際作業(yè)過程中極易出現(xiàn)水草纏繞情況;葉輪雖然動力較差,但靈活性較強,這些不易出現(xiàn)水草纏繞等問題。經(jīng)綜合研究分析,選用螺旋槳作為動力裝置的主體。為提高保潔機器人的動力和靈活性,設(shè)計中采用兩對螺旋槳,并將螺旋槳設(shè)置在浮體兩側(cè),每側(cè)設(shè)置2個。浮體內(nèi)部設(shè)置有4個直流電動機作為驅(qū)動裝置,分別為4個螺旋槳提供動力。

1.4 打撈機構(gòu)設(shè)計

漂浮污物打撈機構(gòu)采用鏈傳動方式進行打撈及漂浮污物輸送,主體由鋁合金及塑料結(jié)構(gòu)構(gòu)建,打撈鏈板采用不銹鋼網(wǎng)鏈設(shè)計,實現(xiàn)水面漂浮污物的大部分水分過濾;鏈板間相隔固定長度設(shè)計有一定高度的擋板,進行輔助較大漂浮污物打撈上升過程中的攔截不滑落,擋板采用疏密孔排布設(shè)計;打撈機構(gòu)的上部末端直接與大扭矩防水電機及減速機相連,電機直接固定在浮體的鋁合金主體框架上,利于打撈機構(gòu)設(shè)備維護和材料更換。

1.5 控制艙設(shè)計

保潔機器人的控制艙設(shè)置在浮體兩側(cè)主體框架內(nèi)部,浮體為焊接密封,開蓋采用橡膠密封,為了增強控制艙的防水性能,將控制艙設(shè)計為密封結(jié)構(gòu)艙室。當機器人行進和工作過程中發(fā)生碰撞漏水異常時,滲水將會積在浮體底部并采用自動泵排出,而非進入到控制艙,避免了內(nèi)部電器和控制系統(tǒng)受損。浮體內(nèi)部電源采用容量為320 Ah的可充電式電池[7];控制艙內(nèi)部設(shè)有控制系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng),其中控制系統(tǒng)主要包括驅(qū)動控制器、執(zhí)行單元控制器、通信模塊和信息采集模塊。

1.6 控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人由硬件模塊、控制軟件及人機交互設(shè)計結(jié)合,實現(xiàn)系統(tǒng)控制及聯(lián)合調(diào)試作業(yè)。硬件模塊中主控、傳感及功能子系統(tǒng)完成對信息傳輸、處理、認知及執(zhí)行等功能;控制軟件完成測試機器人的數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議、邏輯控制、故障診斷等功能;人機交互完成檢測作業(yè)流程、設(shè)備運行狀態(tài)、測試機器人數(shù)據(jù)讀取以及聲光報警等功能。

由于水面漂浮污物存在種類繁多、形狀各異、位置分散、大小不一以及形成時間、位置不確定等情況,可采用無線遙控的方式對機器人進行控制,可以根據(jù)實際情況控制機器人的方向、速度及其他動作,直至機器人完成整個工作流程。設(shè)計時,將控制者所使用的遙控器作為主控制器,機器人所攜帶的信號接收器作為從控制器,從控制器接收到主控制信號后控制機器人的各種動作,達到遠程控制的效果。

2 主要智能化功能

2.1 導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)

導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)作為無人系統(tǒng)的感知單元,承擔著無人系統(tǒng)狀態(tài)參量測量與估計的重任。對于水面智能保潔機器人而言,姿態(tài)、速度、加速度、位置及視覺等傳感器的零偏誤差與補償系數(shù)均需要測量或估計。這些眾多參量之中只有極少一部分能夠被直接或間接測量,大多數(shù)參數(shù)需要采用多個傳感器組合的方式,結(jié)合最優(yōu)估計算法進行估計,最終才能夠得到理想的狀態(tài)參量。導(dǎo)航傳感系統(tǒng)是由多個傳感器組合的傳感系統(tǒng),主要由慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)、磁力計、氣壓計、GNSS(global navigation satellite system)、激光雷達、毫米波雷達、雙目相機等傳感器組成。多個傳感器測量維度不同,根據(jù)傳感器組合方式不同,導(dǎo)航傳感系統(tǒng)需要使用的算法不同,常采用互補濾波和卡爾曼濾波算法。

1)互補濾波算法?；パa濾波將兩個表征同一個狀態(tài)信息的觀測量分別經(jīng)過低通/高通濾波器后,將其進行加權(quán),從而達到優(yōu)勢互補的效果[8]?；パa濾波算法過程如圖5所示。

圖5 互補濾波算法過程

2)卡爾曼濾波算法。對于一個待估計的系統(tǒng)狀態(tài),這一刻系統(tǒng)的狀態(tài)(最優(yōu)估計)是這一刻的預(yù)測值和這一刻的測量值的加權(quán)平均,當?shù)玫阶顑?yōu)估計之后,再將這一刻的最優(yōu)估計和預(yù)測值進行對比,若相差比較小,則說明預(yù)測值比較準確,下次計算就加大預(yù)測值的權(quán)值,否則說明預(yù)測值不準確,下次計算就加大測量值的權(quán)值,循環(huán)以上過程,進行動態(tài)調(diào)整得到最優(yōu)系統(tǒng)狀態(tài)[9]?？柭鼮V波算法原理過程如圖6所示。

圖6 卡爾曼濾波算法過程

2.2 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)設(shè)置在船體中央位置,主要包括Intel NUC(next unit of computing)控制板、電機控制板、電源轉(zhuǎn)換板等部件,具備自主識別、探測、搜尋水面物體,對物體精準識別、定位與追蹤,自主路徑規(guī)劃及導(dǎo)航,自主避障,低電量自動返航,滿載智能返程,監(jiān)控報警等功能,實現(xiàn)了水面漂浮污物打撈作業(yè)的無人駕駛及智能控制操作。在此就圖像自動識別、路徑規(guī)劃導(dǎo)航、智能避障等功能進行介紹。此外,Intel NUC控制板上集成有Ubuntu系統(tǒng)和ROS(robot operating system)系統(tǒng),主要用于控制智能機器人的各種動作[10-11]。

2.2.1 圖像自動識別[12-13]

本文完成了圖片數(shù)據(jù)集、打標、模型訓(xùn)練、模型測試等一系列工作,實現(xiàn)了水面智能保潔機器人的深度學(xué)習(xí)目標檢測單元模塊研制。采用最新目標檢測深度學(xué)習(xí)模型Yolo-v4,并把模型最終移植到前端設(shè)備NVIDIA Jetson /AGX Xavier上進行檢測。在研究與設(shè)計過程中,演示的檢測目標為圓柱形白色礦泉水瓶,攝像機為?？低暰W(wǎng)絡(luò)攝像機,有檢測視頻存儲和目標位置存儲,并可實時發(fā)送給計算機進行判斷處理,演示結(jié)果準確率極高,FPS(frames per second)也達到了機器人的運算要求。視覺識別技術(shù)在垃圾漂浮物識別中的應(yīng)用如圖7所示。

圖7 視覺識別技術(shù)在垃圾漂浮物識別中的應(yīng)用

2.2.2 路徑規(guī)劃導(dǎo)航[14-15]

采用衛(wèi)星定位+自主導(dǎo)航算法來實現(xiàn)規(guī)劃路徑實時導(dǎo)航。衛(wèi)星定位采用聯(lián)合定位提高定位精準度,實時反饋保潔機器人的地理位置信息。自主導(dǎo)航算法獲取規(guī)劃路線及保潔機器人的實時位置,對機器人的航行方向、速度進行合理控制,進而達到本設(shè)計的路徑規(guī)劃導(dǎo)航目標。全局路徑規(guī)劃采用A*最優(yōu)路徑算法,計算選取costmap上的最短路徑。系統(tǒng)流程如圖8所示,實現(xiàn)過程流程如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)流程

圖9 A*最優(yōu)路徑算法實現(xiàn)過程流程

2.2.3 本地實時規(guī)劃(local planner)--智能避障功能

采用動態(tài)窗口算法(dynamic window approach,DWA)計算機器人每個周期內(nèi)應(yīng)行駛的速度和角度(dx,dy,dtheta velocities),通過算法搜索到達目標的多條路徑,利用設(shè)定評價標準(是否會撞擊障礙物、所需時間、代價函數(shù)等)選取最優(yōu)路徑,并計算所需實時速度和角度[16-17]。DWA算法實現(xiàn)流程如圖10所示。

圖10 DWA算法實現(xiàn)流程

2.3 動力系統(tǒng)

機器人頂部設(shè)置有一塊12 V/20 W單晶硅太陽能電池板,該電池板可以保證機器人在白天情況下實現(xiàn)不充電全天候的通信數(shù)據(jù)運轉(zhuǎn)。有48 V/2.6 kW電動推進器4個,48 V/12 kW·h動力型蓄電池,實現(xiàn)航速最高達30 km/h(工作航速14 km/h,最高航速30 km/h),工作航速續(xù)航6 h,最高航速續(xù)航2.5 h,測量偏航小于0.5 m。采用螺旋槳推進的電力推進方式,舵槳一體化能夠提供任何方向的推力,極大地提高了機器人的操縱性能。電力推進系統(tǒng)推進電機轉(zhuǎn)子軸和螺旋槳軸位于同一直線,形成一個獨立的推進模塊,推進模塊可在水平面內(nèi)實現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn),可省去舵機系統(tǒng)及側(cè)推裝置,集推進和操縱功能于一體,既能操縱機器人的方向,又能獲得該航向上的推力,且可實現(xiàn)機器人的動力定位[18]。

2.4 通信系統(tǒng)

機器人內(nèi)部搭載有4G/5G路由器,使機器人可以與區(qū)域局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)連接,可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機器人遠程控制和監(jiān)控。

2.5 智能打撈收集系統(tǒng)

針對不同漂浮打撈速度進行設(shè)計,根據(jù)打撈鏈板承載載荷及體積,調(diào)整收集打撈機構(gòu)的運行速度,以達到不同環(huán)境下高效執(zhí)行收集;存儲裝置根據(jù)漂浮污物的種類、質(zhì)量及體積來選取適合的速度進行使用,使其在有限空間實現(xiàn)最大儲存量,方便裝卸;調(diào)整合適的驅(qū)動動力輸出,既提升續(xù)航里程,又能滿足高效執(zhí)行,使其滿足動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性。

2.6 智能充電功能

為提高機器人的利用效率,設(shè)計選用了六自由度蛇形智能充電器。該柔性充電臂裝置包括固定式電源基座(發(fā)射端)、蛇形充電臂(接電端)和充電器接頭(耦合器),能夠?qū)崿F(xiàn)空間六自由度運動,自動查找充電口,精確對中,快速鎖緊和解鎖,實現(xiàn)高效快速充電功能[19-21]。核心部件是蛇形充電臂(圖11)。

圖11 蛇形充電臂

3 樣機測試

水面智能保潔機器人實驗樣機如圖2和圖3所示,樣機性能測試參數(shù)如表1所示,已在四川省德陽市旌湖湖面智能保潔中有所應(yīng)用。2023年9月5日,在由四川省經(jīng)濟和信息化廳、財政廳指導(dǎo),德陽市經(jīng)濟和信息化局、德陽市財政局、德陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管理管委會主辦,德陽市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)和信息化局承辦的第八屆“創(chuàng)客中國·創(chuàng)業(yè)天府”四川省中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽德陽區(qū)域預(yù)選賽暨經(jīng)開區(qū)2023年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中,參賽的《“河寶”H4m水面保潔機器人--水域漂浮污物智能化清理小能手》榮獲企業(yè)組二等獎,獲獎現(xiàn)場照片如圖12所示。

表1 水面智能保潔機器人樣機性能測試參數(shù)

圖12 水面保潔機器人獲獎現(xiàn)場

4 結(jié)論

根據(jù)設(shè)計方案成功研制了小型和中型兩種規(guī)格的水面智能保潔機器人,對樣機各項性能進行了測試,均滿足設(shè)計要求。得出結(jié)論如下。

1)水面智能保潔機器人不僅可以實現(xiàn)水面漂浮污物的智能化清理收集,而且能夠?qū)λh(huán)境進行實時監(jiān)測。

2)在運行過程中對于人力、外界能源的需求較低,可以有效節(jié)約水面保潔綜合成本,是實現(xiàn)機器取代人工應(yīng)用場景的典型,值得在各種水域環(huán)境智能化治理中進行推廣應(yīng)用。