水面垃圾智能收集装置的实现

北京联合大学 马 庆 程 光 段效贤 李国弼 王思婷 李玥佳 郭焕萍

目前，随着科技的不断进步，高科技产品逐渐出现在人们的生活中，这也极大地减少了人力和物力。而对于我们生活中常见的垃圾处理问题也成为了一大热点问题。近年来，我国各地都出台了相关政策进行垃圾分类处理。对于垃圾处理问题，我们只是解决了垃圾的再利用。但是这也避免不了一些人依旧乱丢垃圾。对于地面垃圾，我们可以借助环卫工人来进行收集；对于水面垃圾，打捞和收集的工作对于人们来说存在一定的困难。为解决这一困难，人们也发明了一系列水面垃圾收集装置。但是，针对目前已有的垃圾收集装置需要人员的驾驶来进行收集，并没有完全的应用现如今所拥有的技术。因此，我们小组进行讨论，认为现如今的水面垃圾处理和收集装置可以借鉴扫地机器人的相关功能和无人驾驶汽车的自我分析功能实现水面垃圾处理装置的相关功能，使得现如今的水面垃圾处理装置成为一个具备自我收集、远程控制、自我记录数据功能的智能的收集装置。

1 水面垃圾智能收集装置的制作

1.1 设计、整理垃圾收集装置的零部件

在水面垃圾智能收集装置整体方面，为了减少水面的阻力，采用船体外观，既能实现装置的快速运行，也体现出了船体的美观。而在实际操作中，我们按照一定的比例进行了迷你版的船身基本结构，方便其在生活中的实践，检验其外观是否能减少阻力，快速运行；在水面垃圾智能收集装置的智能化识别方面，我们利用了扫地机器人智能识别的原理，通过超声破测距传感器，侦测前方所存在的障碍物，如堤坝等，会自行改变方向，从堤坝边沿开始走矩形路线，有规划地收集水面垃圾。除此之外，我们也借助扫地机器人的真空吸附作用，将垃圾吸附在水面垃圾智能收集装置的垃圾袋里。在水面垃圾智能收集装置的远程控制方面，我们采用了关于网络方面的知识点，在设备中加入WiFi模块，将WiFi模块与中国移动OneNET平台进行联系，操作人员可以在中国移动OneNET平台进行基础的设置，如设置前进左右按钮，使得人们可以在手机平台上即可对水面垃圾智能收集装置进行控制。这样也方便在设备工作时，我们可以随时控制它的轨迹。除此之外，借助这一平台，我们也可以进行工作状态时数据记录的功能。它将工作状态以及垃圾收集量等数据通过WiFi模块传至操作人员的手机客户端或者PC端，实时地了解工作状态。通过这个功能，我们便可以进行水面污染程度的估量，让大家可以更直观地认识到水面的污染程度，提高人们的环保意识。也可以让我们了解到设备运行状态，及时地去调整设备运行状态。在水面垃圾智能收集装置工作时，为保证它在正常的轨迹运行，我们也采用了GPS定位系统，在实际操作中，我们通过研究现有的材料，进行一定的规划，将超声波传感器等装置安装在迷你版的装置上，让其有更大的空间去收集垃圾。

1.2 制作船体部分

因为需要去创作基本的水面垃圾处理装置，所以我们应用了热熔胶枪和防水的材料进行基本的组装，制造出水面垃圾收集装置的基本外观。

1.3 安装主控板和其他部分

水面垃圾智能收集装置由于借助了自动控制原理，我们需要在其主控板上载入想要实现的程序。因为主控板具有控制其他部分、使其运动、控制运动的直接作用。主控板上还具有控制板充电的充电接口、电源开关、连接电机、发送控制信号、控制伺服电机运动的电机接口、为控制板下载控制代码、编写程序的编程接口等。将这些相应的线连接起来后，将主控板与我们设计的船身连接在一起，做好必要的防水措施，这样才能保证水面垃圾收集装置的正常运行。

2 水面垃圾智能收集装置的初始调试

将智能垃圾收集装置安装电机进行拆卸，释放电机自由，让电机找到初始姿态所在的位置；确认开关关闭，将水面垃圾智能收集装置的电池安装至其主控板的电池接口中；打开开关，电机将自行运转，此时在不关闭开关的情况下，重新组装所设计的垃圾智能收集装置的内部构造。安装完毕后，将其放在水盆里进行测试。

3 水面垃圾智能收集装置的原理

3.1 装置行径的工作原理

水面垃圾智能收集装置的行径工作原理主要利用了步进电机带动螺旋桨来实现，同时螺旋桨上装有的防水电机可以控制桨的方向，实现其转向功能。

3.2 装置清洁的工作原理

清洁模块中，采取分离式垃圾处理技术。引入抽水机建立低压环境，一方面，较大的吸力使得较大的水面垃圾进入垃圾收集盒中，盒中又另加滤水器和抽水泵，将多余的水排出收集盒，使垃圾与水分离；另一方面，使用抽水机和高分子滤网的组合，增强单位面积的吸附能力，可以对付较小的颗粒状垃圾，使得垃圾吸附在滤网层中完成清扫。一轮清洁完成，需要更换滤网和清理收集盒，以保证清洁质量。抽水机外壳采用防水材料而制，保证时刻处于正常工作状态。

3.3 水面清洁规划功能工作原理

清洁规划算法主要是对感知系统收到的障碍信息进行判断和处理，系统采用混合路径规划算法。液晶屏幕显示传感器感知系统传输数据，方便调试。优先执行中断触发算法，左边外部中断被触发则执行右转路径；当右边的中断被触发时执行左转。若存在大面积的障碍物便开始执行单元域分割算法，清洁装置依据“弓”字形路径进行清洁；若检测不到相应尺寸大小的障碍物，便执行随机覆盖算法，依据三角形轨迹进行清洁。对于小尺寸障碍物，采用循障碍物边界进行清洁，降低单位面积内的功耗问题，让装置清洁更智能。

3.4 智能避障功能工作原理

水面垃圾智能收集装置在避障时首先需要对障碍物进行准确的探测，然后将探测到的距离信号传送入控制器，控制器再启动控制策略根据采集到的距离信号进行计算得出控制量，最后主控器再根据控制量对船体所装电机进行控制，使得螺旋桨的朝向得到改变，从而实现对障碍物的回避。而侦测系统主要有红外线传感和超声波仿生技术，所以也就有两种避障方式——红外避障和超声波避障。

（1）红外避障：LED发射红外光，由障碍物反射到接收器。通过计算接收到光强度的大小，从而判断障碍物的距离，从而进行避障。但红外避障对使用环境有相当高的要求，当遇上浅色或是深色的物体它无法反射回来，会造成碰撞。

（2）超声波避障：避障装置采用超声测距回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射信号的同时计数器开始计时，超声波传播在空气介质中，途中碰到障碍物的阻挡就反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立刻停止计时。由于超声波也是声波，若介质温度变化不大，认为速度在传播过程中是基本不变的。当速度确定后，只要测得往返时间，即可求得距离。当测得的距离小于某一设定值时，系统便会控制步进电机实现躲避障碍物的功能。

3.5 远程控制工作原理

水面垃圾智能收集装置在工作时，虽然可进行自我的收集，但是考虑到环境的复杂多变，装置需要人来控制、主导。为了减少人力与物力，我们将进行远程的控制设备，于是我们便利用了计算机网络相关知识。在这次所设计的系统中，我们通过加入WiFi模块，将其与中国移动OneNET平台进行连接，通过设备来进行远程的控制。而在中国移动OneNET平台需要设计出想要实现的功能与界面，通过与设备的联系，实现相关功能。本次我们所设计实现的功能有控制方向与数据统计。

（1）控制方向：首先我们需要在STM32芯片上烧写程序以实现我们想要实现的功能，如使得船体前行等。通过程序去控制电机的运转，从而带动船体的运转。而WiFi模块与STM32相连，当我们在平台设计好相关的功能模块与参数后，用户通过手机客户端进行一些列的操作，把其传输至WiFi模块后，便可以控制水面垃圾智能收集装置的方向。

（2）数据统计：数据统计的原理同控制方向的原理相似，主要借助WiFi模块进行数据的传输，当设备在运行时，会产生一系列的数据，而数据直接通过WiFi模块传至操作者的手机客户端或者电脑平台，形成直观的数据曲线图，供操作者进行一些数据分析。

4 项目问题与发展前景

完成本项目——水面垃圾智能收集装置的同时，我们也发现了一些问题：水面垃圾收集装置在收集垃圾的时候，它会将水面上所有的东西都进行收集，如水面上的海洋生物等。这样也会造成一些不必要的损失；其次，在收集满垃圾后，船体由于重力增加，速度极大地减慢，降低了工作效率；最后，在智能垃圾收集装置工作时，如果突然没电，会自动停留在水面上，这样需要我们人去将其运回。综上这些问题，我们也想到了一些方法：为改变由于重力导致的速度变慢，我们可以让它一碰到堤坝，就将收集的垃圾自动倒置在岸边；为改变突然没电停滞在水面上，我们可以让其在检测到自己电量不足时，及时返回到岸边。但是以我小组现在的能力来看，这些问题我们目前还未解决，这也是需要我们不断努力学习的。在课余的时间里，我们会继续探究其所存在的问题，并尽力去解决，使得这个收集装置变得尽可能的完美。

通过这次水面垃圾智能收集装置的研究，我们也发现了现在的技术已经可以让一些机器包括我们所研究的垃圾智能收集装置实现自动化识别的技术，但是科技的不断进步会有不断的新技术产生，现如今，虽然其极大地减少了人力物力，但它也存在着一些问题，包括我们上面所提到的如何解决它将海洋生物与垃圾一起收集的问题。这也需要我们不断地研究与探索。在探究新技术的同时，我们要始终保持一个原则：维护生态平衡，保护自然环境。科技固然可以造福人类，但也不能让其破坏我们的生存环境。科技的不断进步促使人类不断地进步，我们相信这一系列问题会在不久的将来逐步解决，智能垃圾收集装置，将更加辉煌！