基于流体涡旋向心吸力新型的水面清洁机器人的设计

王加浩 解彤 张文兰 范亚琼 张亚莉

摘 要：该机器人从现今严峻的水面漂浮垃圾污染状况中获得启发，设计用于自动打捞垃圾并收集垃圾。机器人主体结构采用双船体桁梁架结构，机器人的动力与转向采用舵桨一体化设计，垃圾打捞部分则是利用升降杆联动装置。本设计融入了无线遥感技术、图像采集和视频传输技术与行程自动导航控制技术。该机器人打捞装置与目前现存的打捞设备不同，其创新点主要是基于流体涡旋向心吸力原理，该打捞方式增大了船体幅域打捞面积并可以360度无死角打捞，能够达到节约资源、保护环境、优化资源配置和节能减排的效果。

关键词：舵桨一体化 远程操控 流体涡旋 节能减排

中图分类号：TP873 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（b）-0095-02

1 研制背景及意义

江河湖海的漂浮垃圾的污染日益严重。目前市场上垃圾打捞船大都是大型船舶机械，主要用于大面积大范围的水面垃圾收集，其结构复杂、体积庞大、价格昂贵而且需要专业人士进行操作，并且不适应于城市内河、旅游景区河流、水库和一些平静的狭长水域，目前这些水域的垃圾打捞大多数是采用人工驾驶小船进行人工打捞的形式，这种方式劳动强度大，工作效率低，周期长，不安全，且受環境气候等的影响较严重。

2 机器人主体结构设计

机器人主体结构设计见图1。

双体船的衍架结构：机器人主体的设计采用了双船体结构，有两个平行而分开的浮体，浮体是普通的上宽下窄船体结构，顶部用一个带内部设施的连接结构（采用两个双片横向衍架梁）连在一起。连接结构内部装有船的各种设施，包括电动机、电池以及电路板和控制装置，中间连有横向衍架梁，具有很高的抗弯和抗扭刚度。

机器人采用双船体优点：集合了传统船体及双体船的优点，具有平稳性高，相同水域范围内排水量大，船体转向灵活等优点，很好地解决了内河因水域狭窄收集带来的种种收集困难，双船体总宽度较大，因此具有更大的甲板面积和舱室容积，机器人主体在水面上不容易左右摇晃，稳定性好。将单一船体分成两个，可以使船体更瘦长，减小阻力与行驶时产生的波浪，机动性能好。

2.1 动力装置

水面运动采用双螺旋桨来驱动，不需要转向舵，依靠每个螺旋桨的转换角度进行转向。此设计即为舵桨一体化设计。双螺旋桨使机器人水上运动的速度与动力更强，机动性能更好，舵桨一体化节约设计的成本。

2.2 打捞装置

打捞装置主要由垃圾收集桶、过滤网状传送带、传送带步进电机、潜水泵、电动推杆垃圾储存仓等六部分组成。

3 打捞原理

其主要创新点在于对水面悬浮物的自动汇聚，主要是基于流体涡旋向心吸力原理：根据涡速度矩守恒原理，涡旋的旋转圆周速度与涡流半径成反比，即靠近涡流中心半径越小的位置，流体的流动速率越大，根据伯努利方程，其相对压强就越小，这样就沿涡旋径向上就产生了压差，在与大气接触的环境下，表现为下凹的二次曲线型式的自由曲面。下吸旋涡产生的向心吸力，使得流体携带涡旋区域水面悬浮物螺旋向心向下流动，从而实现对机器人附近一定水域内的水面垃圾进行360度无死角打捞。

在垃圾桶底下安装潜水泵，通过抽水泵将收集到的暂时储存到桶里水排放到河海中，在打捞装置内部通过过滤网传送带实现垃圾与水的分离和垃圾从打捞桶到垃圾仓的输送，打捞桶底部的潜水泵将实现对水的不断循环，不断地提供涡旋向心吸力，实现垃圾打捞的连续过程。

4 机器人能源供给

机器人采用光能+蓄电池的供能模式。动力来源于大容量电池、太阳能发电混合电源系统，解决了一般性水面机器人长时间持续巡航的动力问题。

5 超级电容与太阳能电池板的协调工作

光伏电池阵列作为系统的电源，具有较软的外特性，容易受到环境温度、日照强度、负载工况等因素的影响。因此系统在光伏电池与直流母线间加入单DC/DC环节，对光伏电池的输出电能进行控制，实现光伏电池的最大功率跟踪。

超级电容通过双向DC/DC与直流母线相连，对负载进行供电。通过对双向DC/DC的控制，超级电容可以吸收富余的光伏电池输出电能，释放负载所需的能量。超级电容在系统中具有如下三大功能。

（1）作为能量存储装置，在太阳能供电不足时向负载供电，在太阳能供电富余时吸收、存储多余的能量。

（2）作为滤波器，对光伏电池输出的不稳定的电能进行滤波，输出稳定的电能。

（3）与光伏阵列及单向DC/DC相配合，实现MPPT在太阳能垃圾清理小船电气系统中，负载的功率变化在某些工况下的变化较大，因此在系统中引入一个并联电容环节，当负载功率突变时，并联电容可以及时地支撑负载的稳定运行。

6 流量的闭环控制

根据机器人初步模型尺寸设计，船体长650mm，宽450mm，高320mm；其中船舱设计为长350mm，宽340mm，高200mm；入水口的宽度设计为330mm；初步确定入水口截面高度为（15±5）mm；假设水流向入水口的平均速度为100mm/s。所以确定设计流量、为：

由以上确定的设计流量，利用最小二乘法从数据库中的数据用MATLAB拟合出水泵性能曲线和管道特性曲线，计算出设计扬程H设。除此之外，考虑到水泵的出水口在船体底部，为了使机器人小船能够在水面上稳定性更好，尽量选择扬程较小的水泵，减少水泵的出水对船体的影响。

综合以上因素，选择能达到水面垃圾清理机器人的要求的水泵为：ZQB6X8-12型号水泵，额定功率：120W，额定流量：2m3/h，额定扬程：4m。

参考文献

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