平流沉淀池集水槽青苔清理机器人的研发与应用

2020-10-09汪文煌周勇徐成明

今日自动化 2020年3期

关键词：水厂

汪文煌周勇徐成明

[摘要]在水厂生产过程中，平流沉淀池集水槽和水接触的地方会长满青苔是一个相当普遍的问题，并且难以解决。本文介绍了一种平流沉淀池集水槽青苔清理机器人，该机器人能够很好的清理集水槽中的青苔，为水产生产提供支持。

[关键词]集水槽;青苔清理机器人;水厂

[中图分类号]TU991.23 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）03–00–03

[Abstract]In the production process of waterworks， it is a very common problem that moss grows in the place where the collecting tank of horizontal sedimentation tank contacts with water， and it is difficult to solve it. This paper introduces a kind of moss cleaning robot in the collecting tank of horizontal flow sedimentation tank. The robot can clean the moss in the collecting tank and provide support for aquatic production.

[Keywords]water collecting tank; moss cleaning robot; water plant

目前以地表水作为水源水，有95%以上的水厂都采用常规水处理工艺，在生产过程中平流沉淀池的出水集水槽与水接触的地方会长满青苔是一个普遍存在的问题，至今没有企业能解决这个问题，特别是在春夏秋三个季节，青苔生长影响水厂卫生形象而且影响供水水质。从目前供水行业来看，处理平流沉淀池的出水集水槽青苔的方式主要采用人工刷洗和前加氯两种方式，但这两种方式效果均不理想，无法清理干净，同时这两种清理方式带来的隐患也很大，供水行业至今无更好的解决办法。

1 技术分析

1.1 总体方案

智能溢流槽青苔清理机器人采用机械刷洗的方式去除溢流槽表面附着的青苔;在刮泥机轨道上架设一台简易行架，行架沿着刮泥机轨道运行，机器人在行架上行走，清洗头刷洗溢流槽表面，全部动作由多套控制系统配合完成。如图1所示。

智能集水槽青苔清理机器人由机械系统、行架控制系统、轨道扫描识别系统、智能控制系统、云平台监测系统、供电系统等部分组成。

1.2 基本组成

1.2.1 机器人本体

机器人本体为清理系统提供安全稳定的工作载体，主要由驱动轮、驱动伺服电机、机器人壳体等组成。

1.2.2 位置随动系统

位置随动系统保证清理系统在规定时序内精准运动至清理点，为清理溢流槽壁做准备，主要由移动滑台、旋转臂、升降杆、距离传感器、接触器等组成。如图2所示。

1.2.3 清理系统

机器人的主要执行部件主要由锥齿轮传动机构、清理电机、清理主轴、清理刷头、压力传感器、接触器等组成。如图3所示。

1.2.4 驱动机构

驱动机构为机器人本体提供精确稳定的位移动力，保证清理系统精确的空间全方位位置行走能力，主要由高精度直流伺服电机、直齿轮传动系、锥齿轮传动系、高精密滚珠丝杆、位置信号反馈器等组成，如图4所示。

1.2.5 变轨系统

变轨系统为机器人跨轨道清理作业的输送机构，实现一台机器人清理多个溢流槽的功能，主要由变轨伺服电机、齿轮传动系、提升臂、抓紧机构、变轨驱动轮、接触器、行程开关等组成。如图5所示。

1.2.6 智能控制系统

综合各类传感器、执行器、智能控制系统、物联网硬件、云平台终端数据库及上位机软件为一体的智能化网络。如图6所示。

2 关键技术

2.1 定位及物联网技术

本文采用CCD扫描軌道定位技术实现小车的位置定位，为小车实现路径规划和动作指令提供依据。通过Wifi无线模块和物联网技术进行数据传输，完成小车、云平台、后台用户界面三位一体的对接，为实时监测智能控制提供技术支持。

2.2 在线监测及远程控制

完善的上位机监测软件和通畅的信息交互。把小车控制器和后台电脑紧密连接，把位置信息传到后台电脑终端，并显示在电脑的实时在线监测地图软件中，并有数据透传模块把小车外围环境用视频传回到后台控制室，实现实时在线监测和定位功能，在后台控制室也可以通过远程控制模式对小车进行控制。

2.3 高性能核心处理器和终端

小车车载嵌入式处理器ARM系列芯片，实现高速、高效、复杂算法的处理。终端采用云服务和后台处理专用软件，具有保存数据、实时监测、运行托管等功能。实现无人化、自动化运行。

2.4 避障技术

通过激光雷达扫描避障技术，识别横档和侧边障碍。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别。向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

工作在红外和可见光波段的，以激光为工作光束的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、及惯性测量单元（IMU）三者同步等内在因素。并控制机械臂配合完成穿跃障碍动作。

2.5 精准位置控制

控制电机采用伺服电机配合高精度的机械结构。针对多自由度机器人轨迹跟踪控制的问题，提出了一种基于改进的神经网络PID复杂的控制方法，利用粒子群算法的全局优化能力和较强的趋同能力提高BP神经网络的权。该方法是基于基本BP神经网络算法的向后误差传播，调整对应于所述更新粒子位置的BP神经网络权值和阈值，充分利用粒子群算法的全局优化能力强和BP神经网络算法反向传播特性好的特点。仿真结果表明，该方法可以优化动态过程，降低系统的稳态误差，克服传统PID控制方法的不足，对控制技术有良好的价值。实现控制精细化，准确化。

2.6 智能规划清理路线

工作模式a;小车可以进行系统扫描，自行解算运动方案，继而执行清理动作，自动解算算法采用3D打印的工步逐进技术。

工作模式b：人为在后台控制中心，通过人机交互界面预先设定清理路线，通过物联网传输到小车控制中心。小车按照设定路线，并结合位置定位实时校正路线，进而完成清理过程。清扫过程采用3D打印的工步逐进技术，实现了有序的全方位无死角清洁。

3 现场应用情况

3.1 清洗效果

清洗过后水槽表面洁净无青苔附着，漏点少，比人工清洗和前加氯效果好。如图7所示。

3.2 安全性

没有人员直接清理，减少了工作人员危险，机器人具有多种传感器保证正常工作。

3.3 清洗效率

成品后可实现自动化清理，清理时间可自由设定，效率更高。

3.4 使用便捷性

操作方便，设置上可一键启动，整机在15～20kg，搬运方便无需其他工具。