基于视觉识别的水面垃圾清理装置设计

2024-04-15沈李祥王玉勤胡毅周生曹振虎

河南科技 2024年4期

沈李祥王玉勤胡毅周生曹振虎

摘要：【目的】为了快速清理水面垃圾，改善水面环境，设计了一种水面垃圾清理装置。【方法】在分析清理装置工作原理的基础上，建立装置三维结构模型，并对主要部件进行结构设计。所设计的视觉识别系统可以实时监测水面垃圾分布情况，从而快速清理水面垃圾。装置上安装的太阳能板，可以为设备提供额外的动能。为了验证所设计清洁装置的传送带滚轮是否满足强度要求，利用SolidWorks软件对滚轮进行有限元分析。【结果】计算结果显示，所设计的滚轮结构设计合理，强度满足使用要求。【结论】所设计的清洁装置在自动化、精准定位、实时监控和节能环保等方面具有显著的创新性和应用潜力，这为今后智能清理装置的研发和设计提供了借鉴。

关键词：水面垃圾清理装置；视觉传感器；SolidWorks；有限元分析

中圖分类号：TH137.5 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）04-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.008

Design of Water Surface Garbage Cleaning Device Based on

Visual Recognition

SHEN Lixiang WANG Yuqin HU Yi ZHOU Sheng CAO Zhenhu

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024， China）

Abstract： [Purposes] To quickly clean up the surface garbage and improve the water environment， a surface garbage cleaning device is designed. [Methods] Based on the analysis of the working principle of the cleaning device， the three-dimensional structural model of the device is established， and the main components are designed. The designed visual recognition system can monitor the distribution of water surface garbage in real time， so as to clean up water surface garbage quickly. The solar panels installed on the device can provide additional kinetic energy for the equipment.In order to verify whether the conveyor belt roller of the designed cleaning device meets the strength requirements， the finite element analysis of the roller is carried out by SolidWorks software. [Findings] The calculation results show that the structural design of the roller is reasonable and the strength meets the requirements of use. [Conclusions] The designed cleaning device has remarkable innovation and application potential in automation， accurate positioning， real-time monitoring， energy saving， and environmental protection， which provides reference for the research， development and design of intelligent cleaning devices in the future.

Keywords： water surface garbage cleaning device; visual sensor; SolidWorks; finite element analysis

0 引言

随着社会的发展，人们生活质量不断提高，生活垃圾也不断增多。当垃圾进入自然水域，若不及时清理，则会对水资源产生污染。为了改善水质，降低污染，加强水面垃圾清理工作变得刻不容缓。近些年，随着国家各项治理水污染政策的陆续出台，各级地方政府也都制订了一系列治理水面污染的措施，水面污染处理范围呈现了扩容之势。水面垃圾打捞及处理的需求急剧增长，而传统打捞方式成本高、效率低、安全性能低。市场急需一款清理效率高、易维护、智能化的水面垃圾处理设备［1］。

智能清洁行业的研究主要集中在智能化、自动化方面。江笑雨等［2］采用Arduino-Uno开发板作为控制核心，设计了水面清理机器人，清理垃圾效果较好。张国洲等［3］设计了一种水面垃圾清理机器人，利用水泵运转产生的漩涡将垃圾吸入收集箱内，清理垃圾效率较高。杨海森等［4］利用人工智能算法设计了水上垃圾清理装置，有效解决了水面垃圾清洁问题。上述研究在水面垃圾清理领域均取得一定程度的进展，为今后智能清理机器人技术发展提供了一定的基础。

针对当前市场对水面垃圾清理机器的需求，本研究利用图像视觉识别原理，设计了一种水面垃圾清理装置。该装置结合机器视觉图像传输技术，通过平台远程操作，可以实时、精准、快速地完成某一地区部分水文治理任务。该装置利用机器视觉反馈技术实时、准确地了解水域污染问题，达到高效清理水面垃圾的目的。

1 工作原理

水面垃圾清理装置通过视觉传感器控制机器的工作路径［5］。当视觉传感器检测到水面有垃圾时，设备启动驶向垃圾水域并自动清理垃圾。收集装置将垃圾收集起来，并用传送带将其运送到存储箱中。为了确保机器的持续稳定运行，该装置在储存箱的顶部安装了感应式太阳能板，以提供持续的动能。传输图像反馈的电信号传输给工作人员，由工作人员对清理装置进行总控制，使其快速清理垃圾。水面清理装置工作流程如图1所示。

2 设计方案

2.1 装置结构设计

该装置采用计算机远程控制，可以实现远程、实时、高效收集水面垃圾。设备储存箱后方的左右两侧装有两个可相互配合的螺旋桨，为装置提供动力。装置采用传送带将垃圾传送到储存箱内。在机器顶部设计有太阳能电池板，提高了设备的续航能力。所设计的清洁装置三维模型如图2所示。

2.2 驱动装置设计

驱动装置是机器设备中重要的组成部分，一般采用水下推进器为设备提供前进动力［6］。水下推进器依赖电动机提供转矩和动力。螺旋桨将旋转动力转化为线性运动，产生推力，带动设备前进，其结构如图3所示。总的来说，水下推进器的工作原理是通过动力产生、动力转化和推力实现三个环节，将原始能量转化为适用于水下行进的推力。

2.3 存储箱及浮体结构设计

垃圾存储箱选用1060铝合金，镂空结构便于清洁和维护。浮体选用碳纤维复合材料。考虑到装置的尺寸、形状、浮力和稳定性等因素，浮体设计为U形结构。浮体下方配备的浮筒可提供额外的浮力，使设备在水中保持稳定。存储箱安装在浮体上，其结构如图4所示。

2.4 传送装置设计

传送装置由传送带、滚轮、驱动器和支撑结构等部件组成，其结构如图5所示。传送带具有一定的承载能力，能够稳定地带动垃圾传动。所设计的滚轮具有耐磨性和低摩擦系数等特性，可以与传送带良好配合，确保运行的平稳性。驱动器具备较好的扭矩和稳定性，可以提供足够的动力。支撑结构强度和稳定性较好，保证了装置的整体稳定性。为确保传送装置安全运行，需要对传送带进行防滑、防震和防水设计。防滑设计可以避免垃圾从传送带上滑落；防震设计能够使设备少受震动冲击；防水设计能够防止水渗入设备内部，保障设备正常运行。

2.5 太阳能—视觉传感器设计

太阳能板吸收热能，并将热能转化为电能，为整个系统提供电力。太阳能板通过支架与承接柱相连。承接柱作为支撑和固定太阳能板的结构，采用耐候性、承重性和稳定性较好的铝合金材料制成。在承接柱上方安装视觉传感器，以便于捕捉到需要监测的图像数据。

视觉传感器包括图像传感器、图像采集卡、处理器和图像显示等四部分。图像传感器能够将观察区域的光学图像转换为电信号，传送给图像采集卡进行处理；图像采集卡负责采集图像信息，并将其数字化；处理器是视觉传感器系统的核心，负责处理和解析从图像采集卡采集到的图像数据；图像显示设备将处理后的图像数据显示出来，以便操作者观察和分析［7］。

视觉传感器可以捕捉高分辨率和高帧率的图像数据，以提供准确的视觉信息。对于不同的光照条件和观察目标，需要人为控制传感器的曝光时间，以保证图像的质量和稳定性。选择具有高速数据传输和处理能力的硬件设备，保证视觉传感器可以高速传输和处理大量图像数据。通过各模块的密切协作，实现指令解析、运动控制和系统管理等功能，保证装置的正常运行。

太阳能板和承接柱及视觉传感器共同构成了太阳能—视觉传感器系统的主体结构［8-9］。通过这个结构，系统能够利用太阳能产生电能，同时能够捕捉需要监测的图像数据并进行处理和分析，以确定下一步行动计划。太阳能—视觉传感器整体结构如图6所示。

2.6 水面路径规划设计

路径搜索是水面路径规划设计的核心。通过雷达、卫星等设备获取周围环境的实时信息，可以及时发现并规避障碍物。水面环境是影响船只航行的关键因素，需要考虑流速、风向、波浪等情况。在规划水面路径时，需要充分了解当前水面环境的信息，并根据实际情况进行决策。同时，需要考虑航行时间、燃料消耗和船只负载等多种因素。因此，为了实现最优的航行效果，采用智能算法对航行路径进行优化，以获得最优的航行路径［10-12］。

3 传送带滚轮有限元计算分析

传送带是清理装置重要的载荷部件，承载着整個装置的重量负荷。传送带通过滚轮进行传动。因此，滚轮的工作强度、屈服极限、应力应变等结构性能需要进行有限元计算分析，以确保其满足使用要求。本研究利用SolidWorks软件有限元分析模块对滚轮进行静力学分析计算［13-15］。

3.1 材料选择及约束条件设置

滚轮选用4J32合金，该材料具有良好的磁性能、热膨胀性能和机械性能。滚轮材料属性参数见表1。

对滚轮两端采用固定约束。选用力载荷，滚轮中间位置施加800 N的力。

3.2 网格划分

对滚轮模型进行网格划分，如图7所示。网格的雅可比点设置为16点。计算得到网格的单元数为93 756，节点数为167 302，其中：单元大小为18 mm，公差为2.3 mm。

3.3 计算结果分析

利用SolidWorks软件自带的静力学分析模块对滚轮进行有限元计算，计算结果如图8所示。

由图8可知，滚轮受到的应力集中在中间部位，最大值为132.9 MPa，小于4J32合金的屈服强度250 MPa。滚轮的最大位移量为2.646×102 mm，位移量在4J32合金材料的可承受范围内。由此可见，所设计的滚轮具有较好的屈服强度和应力应变性能，可以承担传送带工作过程中受到的载荷，满足使用要求。

4 结语

本研究针对水面垃圾污染的问题，基于图像视觉识别原理，设计了一种新型水面垃圾清理装置。该装置由驱动装置、存储箱、浮体、传送装置、太阳能板、承接柱和视觉传感器等组成。操作人员可以通过视觉识别系统实时监测水面垃圾分布情况，操作设备驶向指定水域进行垃圾清理工作。利用SolidWorks软件对传送带滚轮进行有限元分析，计算结果显示，滚轮最大的应力值和最大位移量均小于4J32合金自身的强度和应力应变属性。这表明滚轮结构设计合理，满足使用要求。由此可见，基于视觉识别技术的水面垃圾清理装置能够有效解决大型水域的垃圾清理问题，清理效率高，人力投入少，达到了高效、环保的目的，具有广阔的市场应用前景。

参考文献：

［1］陈海滨，马一凡，汪俊时，等.内河水面垃圾清捞收集及相关问题探究［J］.工业安全与环保，2021（S1）：83-85.

［2］江笑雨，陈加粮，周浩岚，等.小型水面垃圾清理机器人的设计与实现［J］.吉首大学学报（自然科学版），2021（3）：41-44.

［3］张国洲，朱晨炜，卢加津，等.一种水面垃圾清理机器人［J］.兵工自动化，2020，39（3）：90-92，96.

［4］杨海森，杨增锐，李鸿瑞，等.基于SolidWorks的人工智能水上垃圾清理装置设计［J］.机电工程技术，2023（8）：87-91.

［5］李君华，李锐.基于生态设计的城市水上垃圾清洁器设计研究［J］.美术大观，2017（5）：128-129.

［6］王迪，黎冠，于腾，等.基于ROS的移动机器人导航系统研究与仿真［J］.华北科技学院学报，2021（4）：54-60.

［7］陈玲.无人驾驶技术在水面垃圾清理船上的应用分析［J］.船舶物资与市场，2020（1）：50-51.

［8］贾晓敏.基于视觉信息的工业机器人搬运技术研究［D］.洛阳：河南科技大学，2013.

［9］黄树琳，张锋.基于视觉识别的物料分拣机器人设计［J］.自动化与仪表，2019（11）：36-38，55.

［10］秦浩然，刘明.基于改进A^（*）算法的仓储AGV路径规划［J］.电子设计工程，2023（9）：49-53，58.

［11］封硕，吉现友，程博，等.融合动态障碍物运动信息的路径规划算法［J］.计算机工程与应用，2022（21）：279-285.