一种水面清洁机器人及其系统设计

赵阳　赵飞　李依帆　王晨　陈津翟

摘 要：近年来，水面垃圾清理一直是一个热点。现有人工清理方式不仅效率低，而且存在一定的危险性。鉴于此情况，设计一款水上垃圾清理机器人，以实现对水面垃圾的高效收集是有必要的。该机器人可在水中自由移动收集水面垃圾，其工作所消耗的电能由其太阳能与常规电池结合提供。搭载的视觉系统可采集水面环境信息。该机器人具有自主巡航和手动操作两种模式，可在大面积水域内作业，完成垃圾的多点精准收集，保证高效率与精确性。

关键词：水面清洁;机器人;自主巡航;太阳能

一、设计目的

该设计的目的是为了实现水面垃圾清理工作的机械化与自动化，研制出一种具有环保、高效、节能特点的水面垃圾清理机器人，该机器人可对水面漂浮物等垃圾的集拢收集、提升和储运等，对营造绿色的生态环境有着重要的意义。通过使用机器人清理水面垃圾的方式，解决了人工清理效率低、成本高、效果差等诸多问题。

二、硬件系统介绍

该机器人硬件系统由控制系统、供能装置、运动机构、图像采集装置、浮力装置、垃圾收集装置、排水装置构成，具体见图1。

（1）控制装置为机器人的功能控制核心，采用stm32f427芯片控制器作为主控，控制侧身螺旋桨转动来使机器人在前后左右方向移动。此外，机器人在水中工作时可切换为手动控制，也可自动控制。手动控制用于水面工作面积较小的环境，操作者通过遥控器对机器人进行控制。自动控制时，该控制器外拓了GPS模块，可以实时检测该机器人在水中的速度、位置、航向等状态。同时有开发的手机app可以对机器人进行控制。

（2）供能装置则采用太阳能与常规电池相结合的方式由一组蓄电池和多组太阳能电池板构成，太阳能电池将光能转化为电能储存在蓄电池中，工作时蓄电池直接供能，供能稳定，节约能源。

（3）运动机构由两组电机及水泵构成，一组电机安装在收集桶外壁上，带动螺旋桨转动推动整个装置进行移动，另一组位于装置上部控制桶内水流产生旋涡，水泵则用来抽出桶内的水，使形成液面差，外部垃圾得以随水流进入收集装置。

（4）图像采集装置利用广角摄像头采集水面环境信息以确定垃圾位置，内置控制系统可控制机器人定点执行垃圾收集功能。同时机器人还可远程传输图像信号给操作者，操作者可通过手机APP 检测水面环境，做出相应指示。

（5）浮力装置由三个浮箱及一系列机械连接装置构成，在工作状态下，可通过控制机械结构的传动调整浮箱的高度状态来控制整个装置的上下运动，从而带动收集装置来避免垃圾外泄。

（6）收集装置位于整个机器人的最下部，整体呈子弹头状，内有渐变螺纹，通过桶内螺旋桨的转动，抽水泵抽出桶内液体形成液面差，进而在桶内形成漩涡，使垃圾垃圾顺着螺纹向下到达收集装置底部。在收集装置底部安装有一层网，防止垃圾进入吸水管阻塞水泵。

（7）排水装置由抽水管、抽水泵、排水管组成了装置的水循环系统，垃圾随水流一起进入垃圾收集装置，排水装置启动将桶内的水利用抽水泵排出，使得垃圾留在桶内，避免垃圾外泄。

三、基本思路

将该机器人放入指定水域，广角摄像头可通过位于镜头上方的镜面圆锥反射采集到水面镜像信息，确定垃圾所在位置，控制系统控制机器人到达垃圾所在区，进入垃圾收集模式，抽水泵启动，水流通过空心管由上部排水管排出，使此区域垃圾随水流流入垃圾桶内。桶内大螺旋叶片旋转形成漩涡，使垃圾随水流进入桶底，桶壁设有螺旋槽可防止垃圾外泄，水泵持续工作，内部回路通过上部管道将水排出，垃圾留在桶内。当此区域垃圾收集任务完成后，可控制机器人提升垃圾收集桶，排出桶内的水并自动到达下一指定水域工作。当垃圾收集任务完成后，可远程遥控器控制返航或一键自主返航至指定位置。由工作人员拆卸掉机器人的垃圾收集桶。

四、创新特色

水面垃圾清理工作机械化、自动化是一种必然趋势。该水面清洁机器人的控制系统设计参考了飞行器控制原理，可使用手机APP或遥控器操控，具有自主巡航功能。图像采集装置采用广角摄像头配合上方的圆锥形反光装置采集到水面垃圾位置信息，然后控制机器人前往收集。动力装置由太阳能板与常规电池结合可有效的延长机器人的续航时间。相信我们的此款水面清洁机器人可以为我国的生态事业建设做出更多贡献。

參考文献：

[1]翟宇毅.一种水面清洁机器人控制系统的设计[A].中国电子学会电子机械工程分会.2011年机械电子学学术会议论文集[C].中国电子学会电子机械工程分会：中国电子学会电子机械工程分会，2011：4.

[2]朱盛颖，郭旭玲，邓彦松.一种涡旋式水面清洁机器人[J].兵工自动化，2018，37（04）：76-79.