水面垃圾自主收集桶设计

水面垃圾自主收集桶设计

刘春江,赵一凡,周兰娟,张艺,李卓伦,李珊珊

河北农业大学 机电工程学院 河北保定 071001

摘要： 针对水面漂浮垃圾日益泛滥、收集成本高、难度大的问题，本团队设计了一种收集效率高、适应性强的拨爪式水面垃圾自主收集桶。该收集桶主要由摆动拨爪装置、浮力调控舱、快换网袋、排水导流装置、水下推进器及信息采集与控制系统组成。摆动拨爪装置中的曲柄摇杆机构通过理论计算最终设计得出，高效工作的同时也可扩大垃圾收集范围；借助排水导流装置形成特定水流，带动漂浮物流入快换网袋；浮力调控舱通过改变排水体积调节浮力，保证收集桶在工作时维持适宜吃水深度。对于装置整体，通过平衡理论分析，保证其在稳定平衡的工作状态下实现自主巡航、快速收集等要求。

关键词：水面漂浮垃圾；拨爪式；自主收集

1 引言

近几年，我国的机械化和智能化在各行各业得到了不断推进，水环境治理方案不断完善，技术也在不断发展，出现了各式各样的针对鱼池、人工湿地、湖泊有一定的清理能力的水面垃圾清理装置。但值得一提的是，这些装置使用条件苛刻，清理能力有限，且绝大多数装置的机械化和智能化发展极不均衡，水面垃圾的处理技术更是极不成熟。针对以上所述问题，急需设计一款集机械化与自动化于一体的水面垃圾清理装置来保证海面垃圾的清理力度，提高垃圾收集效率，改善水域环境，促进人与自然的和谐稳定。

2工作原理

水面垃圾自主收集桶设有遥控模式和超声波自主巡航模式。工作流程如图1所示，遥控模式下使用者通过手机端控制收集桶进行半自动收集；自主巡航模式只需在手机端或机身触控面板设定收集桶的巡航范围，出航时间，随后控制系统自动规划巡航路径后即可进行自主收集，摄像头在云台的带动下可对前方120°范围的水域进行检测，精准识别垃圾，排水导流装置不断将垃圾存储仓中的水排出，桶内形成稳定负压，在负压作用下吸入周围的水体，带动垃圾流入垃圾存储仓；摆动拨爪装置通过曲柄摇杆机构将装置周围的垃圾拨入负压作用范围，扩大垃圾清理面积。目标垃圾收集完成后，收集桶返回到预设航线上，继续自动巡航、遍历作业，待垃圾存储仓装满垃圾后自动返航，实现高效率无人化垃圾收集。

图1 收集桶工作流程图

3 摆动拨爪装置

摆动拨爪装置采用曲柄摇杆机构，由摇杆、弓形连杆、圆盘曲柄、曲柄驱动电机、拨爪、上摆动拨爪支撑架、下摆动拨爪支撑架、曲柄驱动电机防水罩组成，如图2所示。上摆动拨爪支撑架和下摆动拨爪支撑架构成支撑组，桶身前端两侧各安装有一个支撑组；曲柄驱动电机垂直固定在上摆动拨爪支撑架；曲柄驱动电机防水罩包裹在曲柄驱动电机表面；圆盘曲柄位于上摆动拨爪支撑架与下摆动拨爪支撑架之间，圆盘曲柄上端与曲柄驱动电机固定连接，下端与弓形连杆铰接；摇杆两端分别与下摆动拨爪支撑架和弓形连杆铰接；拨爪与弓形连杆前端固定连接。

图2 摆动拨爪装置结构图

摆动拨爪安装在收集桶最前端，曲柄驱动电机带动圆盘曲柄转动进而带动弓形连杆和拨爪做循环摆动，在一个工作循环过程中，形成一个既光滑又封闭的曲线。按照其工作性质,可将这种封闭的运动轨迹曲线划分为三个几个主要阶段。第一阶段摆动拨爪对垃圾进行耙集；第二阶段摆动拨爪连同弓形连杆将耙集到的垃圾，沿着水流，送到收集桶中；第三阶段摆动拨爪将垃圾卸载后进行空行程，回到原始的位置。经过以上三个阶段拨动装置完成一个工作循环。通过加拨动装置弥补了现有漂浮垃圾收集船收集范围小的不足，能主动的将海面垃圾“收入囊中”。摆动拨爪装置的设计既扩大了清理范围，又提高了收集垃圾的成功率。

4信息采集与控制装置

本装置开机运行后通过人机交互页面设置系统参数，设定完毕后，通过GPS+北斗双模定位模块实时获取地理信息位置，利用姿态传感器实时获取垃圾桶姿态并结合超声波检测分析装置周围环境，然后将数据上传至主控端。智能识别端主要通过在 K210 的 KPU上跑YOLO3目标检测算法来实现垃圾识别，采用卷积神经网络进行模型的搭建。运行时智能摄像头实时获取水面图像，采用中值滤波、阙值分割、寻找轮廓算法对图像进行预处理，然后和神经网络训练获取的垃圾特征图进行匹配，分析出目标的种类、位置、大小并进行标定后进行位置转换，然后将数据上传至主控端。主控端根据实时周围环境、装置自身姿态、垃圾分布位置进行路径规划，当垃圾进入收集范围后打开拨爪装置进行垃圾收集。

5 解决的关键问题

（1）准确高效的垃圾收集。摆动拨爪与排水导流相结合是通过多次实验总结出来的收集效率最高，成功率最高的一种方法。灵感来自我国的成语“随波逐流”，海面垃圾具有易随水流动的特点，因此提出了以水为载体，通过后置排水导流装置形成特定水流，带垃圾漂向收集桶，配合前置拨动拨爪装置将垃圾拨入收集桶。

（2）浮力调控装的设计。根据实际情况设计了丝杠配重块结构，即：通过丝杠旋转改配重块在桶身上层夹板的位置；丝杠浮力调节圆盘，即：通过丝杠旋转带动调节圆盘移动改变排水体积，调节浮力最终。大量实验结果表明，丝杠浮力调节圆盘的效果最好，更稳定、更轻便、更节能、更快速。当收集桶俯仰状态，左右倾角产生变化时，姿态传感器会对单片机传输姿态信息，根据处理数据控制丝杠迅速带动浮力调节圆盘改变排水体积，使收集桶具有良好的航行稳定性，避免遇到浪潮而翻车。

参考文献

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[5]汤伟,刘思洋,高涵,陶倩.基于视觉的水面垃圾清理机器人目标检测算法[J].科学技术与工程,2019,19(03):136-141.

基金项目：河北农业大学大学生创新创业训练计划项目《护水卫士—智能水面垃圾清理机器人》。

作者简介：刘春江，男，2000.03.07，河北承德人，本科在读，研究方向：农业机械。