基于生态设计的城市水上垃圾清理船设计研究

张智源 常明堂 宋佳运 张文亮 张泽林

摘   要：在现代化社会进程的发展下，人们的生活水平得到很大程度的改善，与此同时，生活中产生的垃圾量逐年增加，水上漂浮的垃圾逐渐引起社会大众的重视。而当前人工清理垃圾的方式一方面效率较低，另一方面也存在很大的安全隐患。基于此，本文主要研究水上垃圾清理船的设计，分析其功能结构，并对当前水上垃圾清洁器发展水平和现状进行阐述，以期实现对水上漂浮垃圾的高效处理，保护城市生态环境。

关键词：生态设计  水上垃圾  清理船

中图分类号：TM61                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）11（b）-0108-02

随着我国现代化进程的加快，垃圾产量大量增加，水上漂浮垃圾的数量也日益增多。城市生态环境在很大程度上受到水域环境的影响，保障水域环境的环保无污染是建设生态城市的重要基础。在这种形势下，小型便捷的城市水上垃圾清洁器设计的诉求应运而生。这类设计要求在功能上体现出当前时代最新科技水平，满足水域环保清理的要求。

1  水上垃圾清洁船的功能与机构

水上垃圾清洁船可以实现全自动智能化的清理作用，在无人操作的情况下对垃圾进行处理。从结构上来说，水上垃圾清理船主要由四个模块组成。第一个是船体主控模块，采用微控制器，借助GPS进行定位，由双螺旋浆对船体的前进方向进行调整，实现船体的自主巡航;第二个是动力模块，这一模块的供电模式为蓄电池供电，通过H桥电路驱动直流电机对航行速度进行控制;第三个是垃圾识别模块，也就是通过摄像头对垃圾进行识别，并在超声波传感器的测量作用下判定船体与垃圾之间的航行距离;第四个是垃圾收集模块，主要在叶轮的带动下，传送带进行响应运用，将垃圾收集到船体后方的垃圾收集器，这一垃圾收集的过程将保持循环状态。

2  水上垃圾清洁器发展水平和现状

目前我国已经用于实践的水上垃圾清理设备包括清理机器人、清理船和环保型垃圾清理收集船等。其中水上垃圾清理机器人在水域面积较小的景区或者小型水库中更为适用。能打捞大部分水面上正在漂浮的垃圾，比如树叶和包装物等。由于无线电遥控技术的操作流程较为简单，且具备较好的机动性，在公园或景区水域面积小的环境中能达到良好的垃圾清理效果。在使用过程中，只需要将其运送到工作地点，吊放入水，由操作人员在岸上进行远程遥控，完成垃圾清理后再利用吊放装置回收即可，流动使用，方便快捷。也可以将清理器放置在固定水域，定期进行垃圾清理，从而简化运输环节。水上垃圾清理船更适用于在江河湖泊中对水面垃圾进行清洁，能收割打捞水生植物，操作过程灵活性强，能有效清理死角，高效收集水面垃圾，且垃圾的聚拢和打捞都保持自动化。环保型水面垃圾清理收集船主要适用于小型河流和湖泊，或者在水上游乐场所进行水面垃圾的机械化清理。在双船体的设计下，船体在收集垃圾作业中的行走阻力得到分散，同时增强了工作过程中的稳定性。环保型水面垃圾清理收集船主要设置太阳能电池完成蓄电池的持续充电，在工作过程中能保持无声状态，且不会产生废气，真正做到环保，具有较强的实用性。系列化环保型水面垃圾清理收集船的推广能实现水面垃圾清理的机械化和自动化，在很大程度上提高垃圾清扫效率和作业质量，同时又起到对水面环境的维护保障功能[1]。

3  水上垃圾清洁船设计概述

3.1 使用功能定位

水上垃圾清洁船采用人工遥控，取代了智能搜索识别垃圾的功能。由于水面垃圾的分布通常较为分散，位置变化较大，如果在水域面积广的情况下，自动搜索垃圾将会消耗大量能源，搜索垃圾的效率较低。而采用人工遥控则可以人为选择需要清洁的区域，一方面避免了环卫工人下水操作的危险性，另一方面也使操作过程更为高效。此外，在电动工具设计中，首先需要保障工具使用的安全性，尤其是在水中作业的设备更容易由于进水产生安全故障。因此，本设计中采用水电分离的结构模式，使控制区域与工作区相互隔绝，从而有效防止设备进水。

3.2 工作原理

本次设计的水上垃圾清理船由微控制器、摄像头、超声波传感器、蓄电池、机械传动装置和叶轮传送带等共同组成。在工作过程中，将水上清洁卫士放入水中，打开位于船尾的工作开关，当红色指示灯亮时，则代表电路系统已经开始进入工作状态。船体的摄像头在识别到目标时，会将拍到的图片进行分析处理，超声波传感器对目标与船体之间的距离进行测量，然后调整船体航向，使船体与目标保持在同一直线上。H桥电路驱动直流电机控制航速，双螺旋浆对船体的航行方向进行调整，逐渐驶向清理目标。当超声波传感器测量到船体与清理目标之间的距离为0时，船速减慢，传送带在浮叶轮的带动下将垃圾收集到后方的垃圾收集器中，这一收集过程保持循环状态。同时，该垃圾清理器还可以通过GPS定位功能来实现对船体的监测[2]。

3.3 设计特征

本设计的水上垃圾清理船包括船体、船体驱动机构、收集输送装置、太阳能板组及控制系统，在船体前端开有相应缺口，缺口后侧设有收集箱。船体后下方设置船体驱动机构，包括三个部分，即螺旋桨、减速机和第一电机。螺旋桨位于船体外部，通过减速机与第一电机连接。收集输送装置在船体前侧缺口处安装，包括安装直接输送带以及第二电机。安装支架在船體前侧固定，输送带通过主动辊和从动辊设在安装支架上，第二电机输出端与主动辊一端相连。该设计结构合理，且不需要较高的资金投入，取代人工下水打捞的垃圾清理模式，节省了人力成本和时间成本;安全性较高，操作过程便捷，能有效打捞死角，具有较高的自动化，垃圾清理效率高[3]。

4  结语

与传统的垃圾打捞船相比，本设计的水上垃圾清洁船具备较强的优势，其与人们的生活和生态环境建设息息相关，是城市水域环境改善的有效辅助工具，对于水文质量的提高具有重要的作用[4]。本设计遵循“以人为本”的原则，结合当前水上垃圾清洁的现状，设计出能解决当前社会水生态污染问题的水上垃圾清洁船，符合新时代科技发展进步趋势，更为社会发展和城市的美化注入一份力量。

参考文献

[1] 杨云，张林，刘镕玮，等.小型水面垃圾清理机器人[J].兵工自动化，2018，37（3）：44-47，59.

[2] 牛永华.浅谈水面垃圾清理装置[J].山西水利科技，2018（4）：77-79.

[3] 孙强，王莎莎，荆世翔，等.基于光伏发电技术的水上清理机器人动力系统设计[J].科技与创新，2018（14）：122-123.

[4] 占金锋.40m双体全自动水上垃圾清扫船的研制[J].江苏船舶，2018，35（3）：1-3，12，5.