景区水面垃圾清理船设计

江达飞　毛玉青

【摘 要】针对小型河流和景区水域垃圾污染日益严重的问题，结合MSP430F5529单片机设计实现了一种能够自动清理水面漂浮物的垃圾清理船。船体使用大容量锂电池进行供电，控制方式支持手动控制和自动控制两种形式，手动遥控采用2.4G航模遥控器，遥控距离远，在船体出现问题时可确保正确返航；自动控制系统采用MSP430F5529主控芯片结合超声波、AHRS等传感器，可实现船体对水面进行“逐行式”的清理。

【关键词】水面垃圾清理船；MSP430F5529；自动控制

0 引言

近年来，我国经济飞速发展，水污染问题日益严重，部分人环境意识薄弱，直接将垃圾丢弃于河道中，致使江河、湖泊中漂浮着大量垃圾，造成河道堵塞，水体发臭。另外景区水域由于受到发展迅猛的旅游业和自然条件的影响，水面往往漂浮着白色垃圾和落叶，使得景点的旅游价值大打折扣。水面垃圾对经济发展已造成严重影响，如何有效清理已迫在眉睫。

目前，日本、欧美等国家相继投入巨额资金用于研制水面垃圾清理装置，例如，加拿大的PELICAN公司研制的A系列1010型清扫船采用单体船型，具有清扫水面垃圾、油污水处理、曝气、消防等4方面功能。国内水面垃圾清理的方式主要由两种，第一，依靠人工清理的方式，由于清理人员相对较少，工作量大、工作环境又存在着一定的风险，因此这种方式清理效果并不理想；第二，使用燃油驱动和人工驾驶的机械装置，例如，上海市废弃物处置公司研制的水面漂浮物打捞船，采用双船体设计，打捞装置采用传送带形式，克服了以往人工打捞及抓斗间隙打捞的缺点，打捞速度快，劳动强度低。虽然国内外已经开发出比较先进的水面垃圾清理装置，但是体积较大，结构复杂且难以携带，不利于面积较小且形状复杂多变的河道和景区水域的垃圾清理，另外使用燃油驱动还存在着空气及噪声污染等问题。

1 工作原理

1.1 总体布局

船体结构设计如图1所示，它内部安装有两个直流电机，通过改变电机的转速可以实现船体直行，转弯等操作，船身上安装由太阳能电池板，可以对船体内部的锂电池进行充电，增加船的作业范围，船体两侧安装有叶轮，叶轮旋转时产生正向强烈水流，将漂浮的垃圾收集到网状的垃圾收集箱内。

1.2 硬件系统

控制系统的设计方案如图2所示，其中主控芯片使用TI公司的MSP430F5529，该芯片主频达25MHZ，拥有8kb的ram以及256kb的flash，支持ucosII操作系统移植的基本需求；3个TA0定时器，支持10路PWM波输出或捕获，满足电机驱动模块、超声波模块、遥控器模块的需求。PWM波使用硬件产生器而不是软件模拟，可以使得PWM波产生独立于CPU，系统的效率将变得更高。使用定时器而不是使用外部中断进行时间测量，可以使得测量精度更加精确。在利用外部中断进行测量时，当捕获到边沿信号，CPU需要进入中断服务子程序才能对定时器的计数进行保存，而使用定时器进行时间捕获时，当边沿信号被检测，定时器能够立即将当前的计数值锁存相关寄存器中，然后再进入中断服务子程序，免去了进入中断所消耗的时间；支持2路串口，可实现AHRS及蓝牙串口数据的接收及发送；丰富的I/O，满足不同的控制需求。

超声波模块用于探测岸边或者大型障碍物，保证船体在靠近障碍时能够及时的规避。本设计中超声波使用KS109模块，它具有测试距离远，波束角小等特点，可以实现10度以内的极小束角，可以有效的避免水面反射超声波，造成测量错误。另外，考虑到供电锂电池在使用的过程中存在电压波动以及执行稳压功能的开关电源芯片存在较大噪声，对超声波探测距离存在较大干扰，该传感器具备了可调滤波降噪技术，在电源电压受到干扰或噪声较大时可有效抑制其对测距的影响。

AHRS传感器内部集成了MPU-6050三轴陀螺仪和三轴加速度芯片、HMC5883L三轴地磁芯片，结合内部IMU算法，可以精确的测量出船体当前的俯仰、横滚、航向等信息，利用单片机、直流电机和PID算法可以精确的控制船体前进时的航向。

船体采用12v直流高速电机，其转速最高可达11500RPM，电流在额定工作时为1.8A，在堵转时电流超过14A。船体在刚运行时，水体阻力较大，电流将超过14A，因此在本设计时，电机驱动模块采用高性能、大功率MOS管H桥电路，其最大支持60A电流，保证船体安全运行。另外由于电机功率较大，对控制板可能会造成干扰，因此在输入端增加了10M高速光耦隔离，使系统变得更加稳定。

1.3 软件系统

软件结构如图3所示，软件开发前，首先在F5529单片机上移植了ucosii嵌入式实时操作系统，它是一个抢占式，多任务的操作系统内核，可以实现多个传感器以及控制任务并行运行。使用实时操作系统可以使得开发人员将精力集中在应用层软件的开发上来，减小项目开发的时间。另外操作系统隔离了软件层和底层硬件，增加系统的稳定性。

μC/OS-II拥有250个优先级，系统保留了最高以及最低的四个优先级，用户可以分配的优先级范围是4～245，且优先级号越低所对应的任务的优先级就越高。由于μC/OS-II不支持多个任务共用一个优先级，因此必须为船体控制软件的每个任务模块分配不同的优先级。在μC/OS-II中，拥有最高优先级的任务一旦就绪后，就可以立即拥有CPU使用权，因此它的运行周期总是固定的。而最低优先级的任务在任务就绪时，需要等待优先级比它高的任务运行结束后才能被执行，由于每次等待的时间并不一致，因此它的运行周期是不固定的，而且这种影响随着高优先级任务数量以及所消耗的CPU时间的增大而增大。

根据μC/OS-II的任务管理机制，控制软件必须结合任务的相对重要度来对个模块的运行优先级进行划分。控制算法解算、AHRS传感器数据接收和电机输出为系统提供控制量，它的延时会给系统带来滞后效应，造成不稳定，因此它们的优先级较高，分别配置为5，6，7。超声波数据接收模块用于判断当前船体距离障碍物的距离，当有障碍物时，船体可绕行通过。考虑到船体的运行速度较低，并且任务延时时间为微秒级，所造成的影响较小，因此将它的优先级配置为8。人工控制模块用于切换自动和手动控制模式，在船体出现自动失效时使用，因为船体处于慢速运动，因此它的延时并不会影响到船体的安全性，因此将其的优先级配置为9。显示控制模块主要是在船体调试时使用，将船体当前的数据下发到上位机上，如果它的运行周期不固定并不影响系统的可靠性，因此将它的优先级定为最低的等级10。

电机模块接收来自人工控制模块和自动控制模块的电机控制值，由于电机的速度与PWM波的占空比存在着正比关系，因此本任务需要将控制值转化为PWM波的高电平脉宽时间。为了实现这一功能，需要将F5529内部的Timer_A定时器设置为PWM输出模式，将控制捕获和比较模式的CAP寄存器设置为0，使用CCR0寄存器来配置PWM波的输出周期，CCR1寄存器来配置PWM波的高电平时间。为了能够使得电机速度控制得更加平滑，PWM波的输出频率不能过低，因此将PWM周期设置为1ms。

超声波模块使用IIC总线进行通讯，模块初始化时通过置位F5529内部UCB1CTL0寄存器中的UCMST、UCMODE_3、UCSYNC三个状态位，将F5529内部的USCI_B模块配置为IIC同步模式，并且使用UCB1BR0和UCB1BR1两个寄存器将波特率配置为100khz。超声波探测距离时，需要使用IIC总线向其发送一个0xb4命令，它是一个带温度补偿的距离探测命令，探测距离为0-5m。为了保证在探测超声波返回之前没有第二个探测信号发出，两次探测命令的最小间隔应该保持的87ms以上，因此将该模块任务周期设置为100ms。

人工控制模块使用Timer_A定时器捕获遥控接收器三个通道的PWM波高电平脉宽时间，在初始化时，将定时器设定为上升沿和下降沿双边沿触发模式，通过判断TA0CCTL0寄存器中的CCI位来判断当前的边沿类型。定时器计数模式采用连续计数模式，它的最大计数值是65535，因此在做时间计算时，还需要考虑到计数器溢出的问题。另外，由于遥控器信号在传输的过程中存在一定的干扰，造成测量的PWM波信号会出现偶尔的跳动，因此还需要对测量的数据进行处理，仅当多次连续测量的PWM时间小于一定值，才能将当前模式切换为人工模式。

2 结语

随着我国经济的发展，人们对于环境的要求日益提高。景区水域为了保证不受漂浮物的污染，往往使用传统人工方式进行清理，消耗大量人力并存在着一定的风险性。本设计使用MSP430F5529作为主控芯片，结合相应的传感器的执行机构，实现了船体能够在不受人干扰的情况下，自主地对水面垃圾进行清理，并在机器出现故障时，能及时接受人工控制，满足景区水域垃圾清理的要求。

【参考文献】

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[责任编辑：王楠]