趙志敏　李保菊　劉先淼

【摘 要】“先污染后治理，邊治理邊污染”的發(fā)展方式使得我們國家的環(huán)境問題并不樂觀，其中水面污染的清理問題一直難以解決。為此我們利用APM2.8開源控制模塊設(shè)計(jì)了一條能自主清理水面垃圾的新型三體垃圾清理船，在此基礎(chǔ)上還加入了圖像傳輸系統(tǒng)和2.4G手動(dòng)遙控系統(tǒng)，以便應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

【關(guān)鍵詞】水面垃圾清理；三體船；智能化；高效；控制

中圖分類號(hào)： TP273；X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.039

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，過去未被重視的一種水域環(huán)境污染——水面垃圾污染也是越來越嚴(yán)重。迅速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程、旅游業(yè)的發(fā)展、民眾環(huán)保意識(shí)的淡薄等因素導(dǎo)致了這些廢棄物的產(chǎn)生，使得江河、湖泊和港口，甚至近海的水面飄浮垃圾的污染日益嚴(yán)重，尤其是水流經(jīng)城鎮(zhèn)生活區(qū)域的河流段，其污染治理及控制亟待加強(qiáng)。

經(jīng)過調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的水面垃圾為人工打撈和人工駕駛清理船清理兩種，不僅效率低下，還有一定的危險(xiǎn)性。在智能化飛速發(fā)展的今天，我們完全可以設(shè)計(jì)一條智能化的船只，規(guī)劃運(yùn)行路線，使其具備自動(dòng)巡航功能，并重新設(shè)計(jì)外形來提高效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

隨著英國首先提出三體船的概念，這種船型在正不斷地被證明它所具有的優(yōu)勢，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用到軍事之中，與單體船相比，三體設(shè)計(jì)具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的適航穩(wěn)定性和更出色的操縱性，在中高速時(shí)較單體船可節(jié)省有效功率15%-20%，既然有如此優(yōu)勢，那我們?yōu)槭裁床豢梢詫⑺玫矫裆?dāng)中呢？在此啟發(fā)下，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款智能化的三體垃圾清理船（圖一），兩側(cè)副船搭載螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電子調(diào)速器。主船與副船連接的甲板各有一個(gè)攝像頭，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控水面狀況，主船搭載APM2.8主控模塊、GPS、5.8G 40ch的無線圖像傳輸模塊、WFR07S 2.4G接收機(jī)和多視角視頻切換開關(guān)，甲板下為垃圾收集傳送裝置，在傳送帶電機(jī)的帶動(dòng)下，將垃圾傳送至船尾的垃圾收集箱。

2 硬件結(jié)構(gòu)及電路原理

1）APM2.8控制器硬件結(jié)構(gòu)：MCU為愛特梅爾（Atmel）的8bit ATMEGA2560，三軸陀螺儀和三周加速度計(jì)型號(hào)為MPU6000，空氣壓力傳感器 MS-5611，16MB的 AT45DB161D 存儲(chǔ)器，三軸磁力計(jì)型號(hào)為HMC5883，支持8路PWM控制輸入及11 路模擬傳感器輸入，GPS模塊 MTK 3329 及支持 ublox輸出的 NEO-6M、7M、LEA-6H，通過I2C接口將羅盤外接。

2）圖像傳輸系統(tǒng)

（1）TS832發(fā)射機(jī)頻率/頻道數(shù)量：32個(gè)頻率

輸出功率：600MW

傳輸距離：最小4KM的視線

頻率控制：內(nèi)置頻率鎖相環(huán)

AV輸入：模擬AV信號(hào)輸入

ANT接口：SMA（針里面）

電源：DC7-12V

（2）RC832接收頻率： 32個(gè)頻率

接收靈敏度：-90dBm

工作頻率控制：內(nèi)置頻率和相位鎖定回路

雙線AV輸出：模擬的AV信號(hào)輸出

天線連接器：SMA（針里面）

電源電壓：DC7-12V

APM2.8控制器軟件結(jié)構(gòu)：APM2.8控制系統(tǒng)作為一款完全開源的模塊，利用Mission Planner軟件，可以進(jìn)行對(duì)APM2.8模塊的固件燒寫、參數(shù)調(diào)節(jié)以及數(shù)據(jù)傳輸。

在 APM 控制系統(tǒng)中，采用的是兩級(jí)PID 控制，第一級(jí)是導(dǎo)航級(jí)，第二級(jí)是控制級(jí)。導(dǎo)航級(jí)先確定船只的行駛路線，以及所需要的轉(zhuǎn)彎角度，通過內(nèi)部算法給出目標(biāo)需要執(zhí)行的各個(gè)數(shù)據(jù)，再交給下一級(jí)的控制級(jí)控制?？刂萍?jí)接收導(dǎo)航級(jí)發(fā)送的行駛路線數(shù)據(jù)，并采集船只目前位置信息，通過內(nèi)部姿態(tài)解算，計(jì)算出用于實(shí)時(shí)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的 PWM 脈沖信號(hào)，調(diào)整轉(zhuǎn)向角度，使船只按照預(yù)定的軌跡路徑進(jìn)行行駛。

有刷電調(diào)是將控制器的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)勢創(chuàng)新點(diǎn)

這種新型水面漂浮物垃圾清理船與傳統(tǒng)的人工打撈和人工開船打撈相比，智能化程度高，可以在無人為干擾的情況下自動(dòng)完成對(duì)水面漂浮垃圾的巡航清理。操作簡單，不需要具備開船知識(shí)，緊急情況通過遙控即可完成相關(guān)動(dòng)作；雙槳推動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑更小，能在小水域進(jìn)行工作，其次空間大，能耗小，效率高，更為安全都是傳統(tǒng)清理方式無法相比的。

4 結(jié)論

隨著信息化社會(huì)的飛速發(fā)展，小到掃地機(jī)器人，大到一條生產(chǎn)線，智能化早已進(jìn)入各行各業(yè)，環(huán)境的治理也越來越注重智能化，而水面垃圾的治理仍停留在人工打撈階段。此設(shè)計(jì)為基于APM2.8系統(tǒng)的水面漂浮物三體垃圾清理船，將水面垃圾清理與智能控制相結(jié)合，可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)清理方式從而實(shí)現(xiàn)無人化的高效打撈。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周遠(yuǎn)清，張?jiān)偾?智能機(jī)器人系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989

[2]曹琴.基于APM飛控技術(shù)的校園無人巡航車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西京學(xué)院，2017.

[3]周熊.三體船在沿海和內(nèi)河的應(yīng)用[J].航?？萍紕?dòng)態(tài)，1994（08）：25-28.

[4]李思雨，吳艷娟，王帆，胡遠(yuǎn)杰.智能型水面垃圾清理器控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2017，32（11）：45-48+63.

[5]何術(shù)龍，李百齊，程明道，朱德祥.三體船船型分析及興波干擾的模型試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯），2006（01）：122-129.