一種小型智能水上垃圾回收無人船的設(shè)計

朱耘志, 王永軍, 郭 爽

(1.中國南水北調(diào)集團中線有限公司，北京 100053；2.武漢長江航道救助打撈局，湖北 武漢 430014)

0 引 言

“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略的提出和實施對國內(nèi)水資源保護提出更高要求。水上垃圾是水資源的主要污染源。開發(fā)水上垃圾回收處理裝置、減少水資源污染成為人們關(guān)注的重要課題[1-2]。

國內(nèi)外采用多種形式的水上垃圾收集裝置，但目前存在許多不足：①大多數(shù)裝置需要人工操作，特別是垃圾分類處理需要耗費大量的人力、精力和財力；②可處理的垃圾種類較單一，大多數(shù)裝置只能打撈水草和大型固態(tài)垃圾；③裝置體型過大，自動化程度低，各類零件十分笨重，運行費用和維護成本高[3-4]。

水上垃圾收集裝置處理垃圾能力有限，且無法對垃圾進行分類收集，影響垃圾回收處理效果。針對這一問題，設(shè)計一種基于單片機智能控制的小型智能水上垃圾回收無人船，功能如下：①立體水域垃圾分類回收；②湖泊水域液態(tài)垃圾高效處理；③船體智能調(diào)控與自動巡航。使用該型船可有效提高湖泊水域垃圾清理效率，并減少環(huán)保部門的人員和資金投入。

1 總體設(shè)計思路

固態(tài)垃圾收集模塊通過傳送帶和滾輪收集漂浮于水面的固態(tài)可回收垃圾，例如塑料瓶等，并通過傳送帶的漏網(wǎng)可實現(xiàn)部分液態(tài)垃圾的收集，例如水藻等。液態(tài)垃圾收集模塊通過耙吸頭和離心泵收集液態(tài)垃圾，例如漂浮于水面的廢油等，離心泵安放于船體左前艙室。垃圾處理模塊通過固態(tài)垃圾收集艙收集固態(tài)垃圾，通過液態(tài)垃圾處理箱收集處理液態(tài)垃圾，收集裝置放置于單體船中央連接部分。驅(qū)動模塊通過船體兩側(cè)的明輪進行動力推進[5]。

該型船采用SolidWorks軟件進行建模，其船體三維模型如圖1所示。

圖1 船體三維模型

2 結(jié)構(gòu)組成

2.1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計

船體分為單體和雙體。單體船設(shè)計簡便，價格便宜，后期保養(yǎng)和維修成本低，但穩(wěn)定性相對較低，船艙儲存空間較小。該型船工作區(qū)域為城市內(nèi)湖，湖面波浪能量相對較低，即對船體穩(wěn)定性要求較低，且工作水域面積有限，水上垃圾量對于收集清理來說不需要具有較大儲存空間。綜合考慮選擇單體船作為該型船船體，船體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)

2.2 垃圾收集模塊設(shè)計

2.2.1 固態(tài)垃圾收集模塊設(shè)計

考慮湖面垃圾分布較為分散，為使船體結(jié)構(gòu)簡單輕便、工作效率高且制造成本低，該型船的固態(tài)垃圾收集方式選擇傳送式。固態(tài)垃圾收集模塊由傳輸皮帶、擋板、電機與傳送帶、電推桿和用于固定的船上框等組成，如圖3所示。

圖3 固態(tài)垃圾收集模塊

設(shè)計思路：根據(jù)垃圾性質(zhì)設(shè)計傳輸皮帶與擋板部分，并考慮船體尺寸和船身前后部分的質(zhì)量平衡；根據(jù)傳輸皮帶尺寸參數(shù)設(shè)計對應(yīng)的電機與傳送帶，以保證傳輸皮帶的傳動能力；根據(jù)船體尺寸設(shè)計船上框，用于固定傳輸皮帶并連接船體；設(shè)計電推桿，用于保證該模塊的可調(diào)節(jié)性。

2.2.2 液態(tài)垃圾收集模塊設(shè)計

液態(tài)垃圾收集模塊由離心泵、絞纜機、吊架、耙吸頭和漸擴管等組成，如圖4所示。

圖4 液態(tài)垃圾收集模塊

設(shè)計思路：根據(jù)垃圾性質(zhì)設(shè)計耙吸頭與漸擴管，并考慮船體尺寸和船身前后部分的質(zhì)量平衡；根據(jù)耙吸頭尺寸參數(shù)選擇功率合適的離心泵，以保證耙吸頭對液態(tài)垃圾的收集能力；根據(jù)耙吸頭尺寸設(shè)計絞纜機和吊架，用于控制耙吸頭幅度，以適應(yīng)不同工況。

2.3 垃圾處理模塊設(shè)計

2.3.1 固態(tài)垃圾處理模塊設(shè)計

固態(tài)垃圾處理模塊的主體部分為固態(tài)垃圾收集艙，如圖5所示。

圖5 固態(tài)垃圾收集艙

2.3.2 液態(tài)垃圾處理模塊設(shè)計

液態(tài)垃圾處理模塊的主體部分為液態(tài)垃圾處理箱，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 液態(tài)垃圾處理箱結(jié)構(gòu)

針對液態(tài)垃圾的回收處理通過三重過濾機制實現(xiàn)。具體流程如下：①液態(tài)垃圾在流入處理箱后進入過濾池1進行第一次過濾，較大體積垃圾被殘渣籃攔截；②剩余垃圾在通過過濾網(wǎng)進行第二次過濾后進入過濾池2，油污因密度小于水，無法進入過濾池2底部開口的高效過濾管，絕大部分留至過濾池1和過濾池2；③剩余油污通過高效過濾管進行第三次過濾，流入過濾池3；④通過深層過濾板進行第四次過濾；⑤通過出水口排出凈水。根據(jù)連通器原理，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整出水口高度，以調(diào)整處理箱內(nèi)的水位高度，實現(xiàn)對船體質(zhì)量的調(diào)整。

在工業(yè)環(huán)境中常采用滲濾膜分離技術(shù)處理液態(tài)垃圾，例如現(xiàn)階段運用較多的反滲透膜分離處理技術(shù)，其原理是運用人工制作的生物半濾膜作為材料，通過滲透壓作用和生物半濾膜只能通過特定物質(zhì)的特性將目標物質(zhì)與水分離[6]。滲濾膜分離技術(shù)優(yōu)點在于過濾效果好、材料無污染、操作方式簡單和不需要過多的人為操作，但該技術(shù)不足之處在于所使用的材料大多以人工合成材料為主，造價成本相對較高，前期資金投入較大。

類似的處理技術(shù)幾乎均用于污水處理廠等大型作業(yè)環(huán)境，對工作條件要求嚴格，在工作時需要較大壓強，且成本較高。該型船具有良好的過濾功能，對工作條件要求低，在不降低處理效果的前提下實現(xiàn)便攜化，成本較低，并可根據(jù)不同工作環(huán)境與船舶的要求進行個性化定制。

2.4 驅(qū)動模塊設(shè)計

動力裝置具有多種選擇。除傳統(tǒng)的柴油機、汽油機和蓄電池外，可利用太陽能和風(fēng)能等綠色能源。柴油機具有功率大、安全性高、壽命長等優(yōu)點和體積大、成本高、振動大等缺點；汽油機具有振動小、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點和經(jīng)濟性差、安全性低等缺點；蓄電池具有結(jié)構(gòu)簡單、綠色環(huán)保等優(yōu)點和功率小、續(xù)航里程短等缺點。太陽能和風(fēng)能的利用需要搭配蓄電池，但易受環(huán)境影響[7]。

該型船船體較小，工作所需功率不大，動力部分初步選用蓄電池滿足設(shè)計，暫不使用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電裝置，若此后需要更新則可加入發(fā)電裝置的設(shè)計。該型船不需要長時間在湖面上航行，可在蓄電池電荷量過低時選擇返航進行充電，保證下一次航行的能源供給。水下推進器由螺旋槳、螺旋槳電機、安裝底座和固定外殼等組成，如圖7所示。

圖7 水下推進器

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)總體方案

基于單片機智能控制的控制系統(tǒng)由船載端控制系統(tǒng)和岸基監(jiān)測控制平臺(即上位機)組成。船載端控制系統(tǒng)以Arduino單片機為主控模塊核心，外接環(huán)境信息采集單元、動力推進單元、作業(yè)運行與控制單元、通信與遙控單元和供電單元等，可實現(xiàn)船體速度調(diào)節(jié)、傳動速度調(diào)節(jié)、運動自修正、自主導(dǎo)航與路徑跟蹤等多種功能[8]。岸基監(jiān)測控制平臺進行船岸之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對該型船工作運行的動態(tài)監(jiān)測?？刂葡到y(tǒng)的基本框架如圖8所示，其中，GPS為全球定位系統(tǒng)。

圖8 控制系統(tǒng)的基本框架

3.2 船載端控制系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機智能控制的垃圾分類回收船的船載端控制系統(tǒng)以Arduino單片機為主控核心，Arduino UNO是基于ATmega328P的Arduino開發(fā)版。Arduino單片機用于船體動力和航向的控制，在Arduino單片機輸出脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)后集成多個算法進行處理，對電機的轉(zhuǎn)速與舵機的轉(zhuǎn)動角度進行控制，實現(xiàn)對船體運動的操控。

環(huán)境信息采集單元用于環(huán)境信息收集，包括水上垃圾位置和障礙物距離等，實現(xiàn)運動過程中的姿態(tài)自修正和航行中的避障。通過遙控模塊可選擇船體工作狀態(tài)和工作模式，工作模式分為人工操作和自動巡航。人工操作模式通過岸基監(jiān)測控制器對船體進行遠程遙控控制；自動巡航模式是在岸基監(jiān)測控制平臺設(shè)定目標后，船體根據(jù)路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)自動巡航。

系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程

3.3 環(huán)境信息采集單元設(shè)計

3.3.1 GPS定位模塊

經(jīng)實際工況和使用場景檢測，采用ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊作為GPS定位模塊，該模塊是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，其特點包括采用S1216F8-BD模組，體積小巧，性能優(yōu)異；可通過串口進行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存于內(nèi)部FLASH，使用方便；兼容3.3 V/5 V電平，方便鏈接各種單片機系統(tǒng)等。

3.3.2 圖像識別模塊

圖像識別模塊采用OpenMV4 H7 Plus攝像頭。OpenMV攝像頭是一款小巧、低功耗和低成本的電路板，可通過高級語言Python腳本進行控制，在機器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出[9]。OpenMV可在圖像中同時檢測多達16種顏色，且每種顏色均可具有任意數(shù)量的不同色塊；可自動檢測每個色塊的位置、大小、中心和方向，在進行編程后可通過使用顏色跟蹤功能實現(xiàn)對目標的跟蹤，實現(xiàn)對水上垃圾目標進行檢測的功能。

3.3.3 超聲波測距模塊

目前，超聲波測距方法分為相位檢測、幅值檢測、渡越時間檢測等3種，各有所長。相位檢測法檢測精度高，但測量范圍較小，僅適用于高精度場所測量；幅值檢測法通過檢測返回的聲波幅值測量距離，這就決定該方法易受到環(huán)境介質(zhì)影響，測量精度有限；渡越時間檢測法精度高且無物理接觸，直接通過測量超聲波在空氣中的傳播時間計算距離。該型船選擇渡越時間檢測法，超聲波測距模塊選用HC-SR04模塊。

3.4 作業(yè)運行與控制單元設(shè)計

作業(yè)運行與控制單元由離心泵模塊和在船體內(nèi)工作的傳感器等組成。通過控制離心泵功率確定液態(tài)垃圾處理箱的每分鐘處理量，保證液態(tài)垃圾處理箱入口的進水量和出口的出水量保持平衡。通過讀取傳送帶上的傳感器得到的數(shù)值可判斷垃圾量，并通過控制系統(tǒng)改變傳送帶功率，由電動推桿改變傳送帶傾角，根據(jù)垃圾量進行自適應(yīng)調(diào)整。

4 結(jié) 語

該型船依靠船體和水下推進器實現(xiàn)水面航行；采用單體船結(jié)構(gòu)，造價較低；后期保養(yǎng)和維修成本低；船體運動自由度高。通過協(xié)同智能控制系統(tǒng)的檢測探頭，可自動檢測和收集水上垃圾，對中小型湖泊水域的固、液垃圾進行高效率的收集、分類和處理，并可通過自動巡航功能進行定期清理，大幅提升垃圾清理效率和人工操作時間。