太陽能遙控水面漂浮物清理船說明書_圖文

1、太陽能遙控水面漂浮物清理船設(shè)計(jì)者：伍振宇、周俊波、侯得志、王春龍、肖夢、董佳、徐芳 指導(dǎo)老師：周為民、王玉林南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，衡陽市，郵編：421001關(guān)鍵詞：太陽能、遙控、漂浮物、清理作品內(nèi)容簡介太陽能遙控水面漂浮物清理船是針對理船主要針對各種湖泊河道,尤其是狹窄河道、灘涂及景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。通過方案設(shè)計(jì)、分析、測試設(shè)計(jì)而成 ，由太陽能電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、 作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，利用傳送帶進(jìn)行垃圾的回收清理。動力系統(tǒng)中的動力電機(jī)通過導(dǎo)線及遙控接收裝置與太陽能電

2、池系統(tǒng)中的蓄電池連接，遙控接收裝置的輸入端通過導(dǎo)線與傳感系統(tǒng)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池連接，人員在岸邊進(jìn)行遙控操作。聯(lián)系人：伍振宇聯(lián)系電話：E-mail：1研制背景及意義據(jù)調(diào)查分析和平時的觀察可知中國現(xiàn)在大多數(shù)的河流湖泊，特別是各種景區(qū)的湖泊都受到垃圾的污染，不僅影響美觀，時間長久的話還產(chǎn)生各樣污染物，會對水體產(chǎn)生污染，從而影響水質(zhì)。另外，垃圾不清理還導(dǎo)致航道的阻塞。而且如今國內(nèi)大多數(shù)的垃圾處理是靠人在船上用漁網(wǎng)等工具打撈，不僅需要大量的人力物力，而且效率低，在一些危險(xiǎn)區(qū)域人員的人身安全得不到保障。而市場上的垃圾打撈船價格昂貴，價格幾萬到幾十萬不等，難于得到普遍推廣。而且現(xiàn)有的垃圾清理船體積龐

3、大，不靈活而且對于狹窄的河道、灘涂或者是公園景區(qū)的小型湖面沒辦法進(jìn)行作業(yè)。再次，現(xiàn)有的船都是靠柴油機(jī)或者汽油機(jī)作為動力，在作業(yè)的時候不僅產(chǎn)生大量的廢氣還有漏油，對氣體和水體都有污染，并不符合國家現(xiàn)在提出節(jié)能減排的政策。所以新型高效節(jié)能的垃圾清理船急迫的需要。太陽能遙控水面漂浮物清理船是針對理船主要針對各種湖泊河道,尤其是狹窄河道、灘涂及景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。2設(shè)計(jì)方案通過方案設(shè)計(jì)、分析、測試設(shè)計(jì)而成 ，由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。2.1電器控制太陽能電池系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)都

4、包含有電器控制部分。太陽能電池系統(tǒng)：太陽能電池板如圖：太陽能電池板位于側(cè)邊的兩個船體表面，可以節(jié)約空間。利用電池板進(jìn)行發(fā)電，電存儲在蓄電池中，從而進(jìn)行利用。為了防止太陽能電池的壽命，增強(qiáng)其防腐、防雨、防污等能力，采用玻璃合金密封，在表面增加玻璃板，而背面增加合金薄片。圖1太陽能電池板動力系統(tǒng)：動力系統(tǒng)包括蓄電池，導(dǎo)線，電動機(jī)，齒輪、螺旋槳等。蓄電池可以充電，也可以利用太陽能電池板轉(zhuǎn)化成電能存儲，蓄電池提供電能，讓電動機(jī)轉(zhuǎn)動，推力是采用雙螺旋槳推動，獨(dú)立電機(jī)，分別位于兩個船體的后部，這樣控制就靈活，而且也有足夠的動力。圖2動力傳動圖圖3雙螺旋槳驅(qū)動遙控系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)：這部分主要利用單片機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行

5、控制?？刂乒δ苤饕?、獨(dú)立控制2個螺旋槳的速度以達(dá)到控制方向（左右前后），和速度。2、感應(yīng)傳感，探測障礙物，可以自己智能改變方向和速度，避免碰撞，可以實(shí)現(xiàn)無人操作自動作業(yè)。3、控制傳送帶作業(yè)。2.2機(jī)械部分船體部分：該作品采用2個船體結(jié)構(gòu)，同時也可以放置太陽能電池板，安裝螺旋槳、動力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)、和回收垃圾裝置主要位于中間的船體。這樣的設(shè)計(jì)不僅外觀漂亮，而且結(jié)構(gòu)合理，有利于船的平衡。作業(yè)系統(tǒng)：主要是由傳送帶、支撐架、齒輪、電機(jī)、抓盤組合成。利用傳送帶和抓盤的結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)動之后抓盤可以把垃圾從水面打撈到船上的回收艙中圖4抓盤 圖5垃圾箱3理論設(shè)計(jì)計(jì)算1、物理計(jì)算：1、單個

6、船體積估計(jì)：700mm×25mm×25mm2、空船的質(zhì)量估計(jì)：船骨架2kg,支柱骨架2kg，傳送帶及抓盤1kg, 機(jī)電設(shè)備2kg，平衡鐵塊（用于調(diào)節(jié)作用根據(jù)實(shí)際情況質(zhì)量待定）。3、船阻力的估計(jì)：船的阻力分為興波阻力，粘壓阻力，摩擦阻力，附體阻力，風(fēng)阻力。各種成分在不同航速的船中不同對于低速船來說摩擦阻力占總阻力的70%-80%，粘壓阻力大于10%，風(fēng)阻力和附體阻力成分很小。在船舶的阻力計(jì)算中兩個參數(shù)對阻力的考察很重要，一個是雷諾數(shù)Re，另一個是傅汝德數(shù)Fn，其中Re=Lv/v（v表示船航行的速度，我們設(shè)計(jì)的最高船速為5m/s，v表示運(yùn)動粘性系數(shù)在水溫15，v為1.13902

7、E6代入公式得Re=3.0973E-6。Fn=v/，代入公式得Fn=0.431。根據(jù)1935年在巴黎召開的國際船模試驗(yàn)會議上，正式宣布采用下列公式計(jì)算船體的阻力Rf=f Sv1.825/101.94,其中為水的密度， S為船的濕面積，f 為阻力系數(shù) ，f 其值為 0.1392+1+0.0043(15-t,L為船長，t為水溫。初步計(jì)算總阻力值23.425N。4、螺旋槳與電機(jī)扭矩的選擇：螺旋槳的拉力系數(shù)和功率系數(shù)與槳葉數(shù)目實(shí)度、槳葉角成正比 ，又我們同時要求螺旋槳的轉(zhuǎn)矩與主機(jī)通過軸系（在額定的轉(zhuǎn)速下）發(fā)出的轉(zhuǎn)矩相平衡 ，通過上訴船體的阻力估計(jì),我們選擇電機(jī)的軸半徑為8mm,螺旋槳的半徑為80mm,

8、電機(jī)的扭矩為1N*m。二、電學(xué)計(jì)算：1、太陽能電池的發(fā)電量:M=Pm×h×u，一天按太陽照射10小時計(jì)算，那么該產(chǎn)品一塊太陽能電池發(fā)電量M=15×10×0.7=105wh，完全可以為12v，1.3Ah蓄電池充電。12V6w的電機(jī)工作需要的電流是0.5A 。12V 1.3AH的蓄電池充滿電后，按10小時的放電量計(jì)算，正常電流為1.3A，減去效率問題，12v6w的電機(jī)可以工作1518小時，所以太陽能電池為蓄電池充一次電就可以工作1.5個小時左右。2、電路原理：發(fā)射原理：當(dāng)遙控發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線電波時,TaTd操縱桿用脈沖信號及Ts矩形波(共5個信號組成一個周波

9、，在1秒時間內(nèi)大約自動重復(fù)出現(xiàn)30個周波，比例脈沖的寬度一般為1.5ms±0.5ms。 TaTd分別與和操縱桿連接的可變電位器相對應(yīng)，當(dāng)操縱桿運(yùn)動時,TaTd的信號隨之改變其時間寬度，促使與接收機(jī)連接的電機(jī)邊做出相應(yīng)成比例的動作。Ts信號不是用于操縱桿的，它是一個固定的時間脈沖，它有較長的時間寬度，其作用是當(dāng)接收機(jī)由于雜音信號干擾而引起信號排列紊亂時，它能自動整形使接收機(jī)能夠識別。在脈沖信號之間的To是沒有無線電信號的間隔期，也就是我們所說的脈沖寬度，它能使接收機(jī)可靠地區(qū)別多個連續(xù)的脈沖信號，經(jīng)過內(nèi)部電路的調(diào)制、編碼，再通過高頻信號放大電路由天線將電磁波發(fā)射出去 。接收原理：它是由選

10、頻電路、放大電路、譯碼電路等部分組成。從接收放大電路出來的脈沖信號，通過譯碼電路后就能分別獨(dú)立地取出由發(fā)射機(jī)發(fā)出的操縱桿動作信號TaTd，并分配到不同的譯碼地址輸出口。電機(jī)是把從接收機(jī)傳來的信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械的動作的一種機(jī)電一體的裝置，主要作用是把接收機(jī)收到的電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械動作，借此完成方向和速度的控制。超聲波傳感原理：超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)1的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理采用渡越時間法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物

11、之間的距離。硬件電路設(shè)計(jì)我們設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)由polaroid600 系列傳感器、polaroid6500 系列超聲波距離模塊和at89c51 單片機(jī)構(gòu)成。圖6接收及控制電路圖7操控發(fā)射電路4工作原理及性能分析我們利用太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成電能，由此來驅(qū)動整個設(shè)備的工作。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，利用傳送帶進(jìn)和抓盤行垃圾的回收清理。動力系統(tǒng)中的動力電機(jī)通過導(dǎo)線及遙控接收裝置與太陽能電池系統(tǒng)、蓄電池連接，遙控接收裝置的輸入端通過導(dǎo)線與傳感系統(tǒng)，人員在岸邊進(jìn)行遙控操作。通過理論計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)，整個工作流程能夠完全由太陽能電池板提供電能進(jìn)行作業(yè)，遙控度好，垃圾回收率高。5創(chuàng)新點(diǎn)

12、及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)：1、遠(yuǎn)程遙控控制，單片機(jī)智能控制，具有傳感效應(yīng)，避免與物體碰撞， 半自動化強(qiáng)。2、實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向，無周期傳送帶回收，效率高。3、結(jié)構(gòu)簡單，易于維修,成本較低，易于推廣。4、利用蓄電池和太陽能輔助發(fā)電提供電能，環(huán)保，高效益。此外,它可,有效清除狹窄水面的垃圾,還可通過遙控作業(yè)，到危險(xiǎn)區(qū) 域進(jìn)行作業(yè)，人員的人身安全得到保障。圖8整體效果圖圖9背面整體圖參考文獻(xiàn)1田力文主編，太陽能光伏照明手冊?；瘜W(xué)工業(yè)出版社，2011：1-57 2趙連恩主編，高性能船舶水動力原理與設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)出版社，20013張孝林、陳世達(dá)、舒郁文等以譯，紅外技術(shù)應(yīng)用光電、光子器件及傳感器，化學(xué)工業(yè)出版社，20044趙桂欽、卜艷萍譯，電子電路分析與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，