小型无人驾驶水面污物清理装置的设计与实现*

农建成，樊伟光，杨奇衡，付 彤，吴宪雨，陈兴文

(大连民族大学机电工程学院，辽宁 大连 116600)

1 系统设计需求

针对大型清理装置存在船体的体积较大、排水量大、船上有人驾驶、运行成本高、不适合小型水域作业的缺点，本装置设计需从以下几个方面考虑设计需求[1]：

1) 小型水域水面的垃圾漂浮物种类多而且重量轻、体积偏小，易受外界影响产生漂移，如饮料瓶、塑料袋、烟盒、泡沫、树叶等。

2) 能够适应多种水域作业，特别是水面较窄或水深较浅及多弯水域，要求装置体积小、行驶灵活；同时要做到成本低、续航长和防水保护好，便于携带和维护特点。

3) 要考虑对水草缠绕影响装置作业的问题，设计脱离缠绕并且顺利返航功能。装置必须能在一定程度上解决水草缠绕问题。

4) 在装置体积和动力的限制条件下，尽可能地提高收集效率，要避免油污清理的二次污染情况的发生。

2 系统整体设计

水面垃圾清理装置由电气控制和机械执行两部分组成。机械执行部分主要指水面垃圾与油污收集传动执行机构。电气控制包括上位机和下位机两部分，这里将水中船体定义为下位机，主要由STM32单片机、WiFi模块、USB数字摄像头UVC500(摄像头是利用内部集成电路直接将转换好的数字信号传送到电脑上,只要处理器的响应速度足够快,CCD捕捉到的图像信号就可以通过信号传输以达到实时显示的动态效果)、舵机云台、超声波避障模块、直流电机、直流电机驱动等模块构成；上位机编写Android应用程序，用于控制清理器运动及实时显示水面情况。上下位机通过WiFi无线通讯，具有视频实时传输、显示和自动避障等功能。清理装置的动力采用环保的锂电池，通过直流电机带动螺旋桨使清理器运动。电机的控制采用PID算法控制。清理装置的电气控制部分结构如图1所示。

从电气结构框图中可以看出，系统采用WiFi无线通讯方式，可以实现水陆通讯和控制信息传输，能够解决无人驾驶并可以实时显示水面作业和运行状况；下位机安装避障模块，能够自动躲避水面上的障碍物，防止碰撞，保障行驶过程稳定；下位机系统CPU采用STM32，具有良好的可扩展；上位机采用手机作为监控终端具有较强的通用性和较高的性价比，符合当今智能系统开发的主流趋势。

图1 清理装置的电气控制部分结构框图

3 电气控制设计

3.1 数据通信与水面作业图像采集

水陆两端数据通信以WiFi模块作为信息收发转送中心，通过手机端将特定的数据包发送到路由器，将路由器与STM32单片机串口相连，就可以实现上位机与单片机的串行通信。USB数字摄像头UVC500与WiFi模块相连，通过手机端启动WiFi就可以实时显示水面作业的情况。为了使水面图像采集的视野更开阔，在其下安装舵机云台，舵机云台通过舵机驱动模块与下位机的单片机连接，手机端对舵机控制通过WiFi模块向下位机发送指令，下位单片机输出PWM信号变化来控制舵机的角度变化[2]。

3.2 超声波避障模块

为了使清理器能够自动避开水面上障碍物，装配了一对超声波避障传感器，并在其下安装舵机云台，舵机云台通过舵机驱动模块与下位机的单片机连接，在清理器行进的过程中舵机云台反复转动带动超声波不断识别障碍物。当检测到障碍物时，反射的超声信号被接收模块接收，通过接口将信号输入单片机，由单片机控制电机运动，进行自动避障。

3.3 电机及其驱动模块

直流电机的驱动方式采用脉冲宽度调制PWM，电机驱动芯片采用L298N，单片机输出PWM调速信号至L298N，可实现两组直流电机的驱动。电机控制信号可以由上位机发送指令也可以在自主行驶状态下，单片机自主发出。利用PWM信号控制电机的旋转方向，来实现船体的前进、后退和左右转向。以上各模块接口电路如图2所示。

图2 系统各模块接口电路

4 机械结构设计

4.1 船体设计

船体采用双浮箱对称结构设计，2个浮箱对称安装在船体两侧，并用铝制框架将其连接和固定。这样可以在中间部位留下足够的空间安装垃圾收集舱，在总体积一定的情况下有效扩大舱体空间，使垃圾收集舱体的空间占到总体积的1/2。浮箱外壳为壁厚为0.1 mm的塑料材质圆管中间填质轻、浮力大的泡沫，既减轻了装置质量又增大了船体浮力。垃圾收集舱体放置于船体的铝框架内，采用可抽拉式设计，便于垃圾的清理，同时收集舱底部采用纱网，有利于在垃圾入舱体作业时保障船体的质量和重心分布的不改变。船体总体结构布局如图3所示。

图3 船体总体结构图

4.2 水面油污收集结构设计

水面油污收集是通过水泵将油污水抽取到油水分离缸中进行多级分离来完成的。油水分离系统是由4个分离缸组成，即油水混合进口缸、第一级油水分离缸，第二级油水分离缸，第三级油水分离缸(出水缸)[3]。为了加快油水分离的目的，在分离缸中加入破乳剂“NaCl”；在出水口增加半透膜，水小分子通过半透膜流出装置外，而油污和加入的破乳剂NaCl被留在缸内，既加快了油水分离的效率又保护了环境。经实验发现，油水分离后大部分油污在第一和第二级，而少部分的油污在第三和第四级出现，但是经半透膜后可以较好地完成油水分离。

5 系统程序流程设计

系统控制程序采用C语言程序编写，通过WiFi模块和单片机将避障模块、舵机云台、电源、电机以及垃圾清理装置连接成一个系统，由上位机软件控制清理器的工作。当上位机发送指令后，指令经WiFi模块传入单片机，单片机串口接收指令后，判断接收的指令，按照预先设定的程序实现指令的功能。系统的程序流程如图4所示。

6 结束语

笔者根据设计需求，对水面清污装置进行了机械结构和控制系统的设计，并完成了样机制作。样机在室内水池和室外人工湖的测试中能快速到达水面垃圾处，将漂浮垃圾物收集到装置内部并运至指定地点，成功率高，性能稳定；同时对水面油污收集测试，可以快速实现油水分离，并对分离出的油污进行收集。该装置成本低、体型小、灵活性高，具有一定实用价值和市场前景，可以有效解决狭小(或较浅)且有水草分布的水域的水面污物清理问题。

图4 系统的程序流程