水面垃圾智能收集裝置

1、華北水利水電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目研究報(bào)告項(xiàng)目名稱：水面垃圾智能聯(lián)合收集裝置項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：沈杰項(xiàng)目所屬學(xué)院：機(jī)械學(xué)院指導(dǎo)教師：一、研究目標(biāo)傳統(tǒng)的清潔方式是人工打撈清理，這種方式效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，適 用于各種水域范圍。隨著科技的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展，人工打撈清理的效率 低下和勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)越來(lái)越突出了，隨后出些了自動(dòng)垃圾打撈船。自 動(dòng)打撈船對(duì)漂浮廢物可自動(dòng)打撈， 也就是在船只航行的過(guò)程中依托水流的 力氣將打撈的樹(shù)枝、水生植物、塑料袋等漂浮廢物送入船艙內(nèi)，可快速的 大量清理廢物，縮短保潔時(shí)刻。比起人工打撈有顯著的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省人力， 降低勞動(dòng)強(qiáng)度。但是為了保證清潔效率這些船設(shè)計(jì)的都很大，適用于大中 型水

2、域環(huán)境，無(wú)法使用于人們?nèi)粘Ｉ羁偨?jīng)常接觸到的小型水域環(huán)境。我 們的項(xiàng)目為解決目前城市河道及風(fēng)景區(qū)水域及小流域水面垃圾收集的問(wèn) 題，本項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一款小型全自動(dòng)的水面垃圾收集裝置，采用視覺(jué)傳輸技 術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，特殊的結(jié)構(gòu)方案等，將垃圾識(shí)別，收集，實(shí)現(xiàn)垃圾打 撈的智能化、一體化、高效化，從而真正實(shí)現(xiàn)智能化作業(yè)。二、研究過(guò)程本次設(shè)計(jì)想要設(shè)計(jì)出一套水面垃圾自動(dòng)清潔船控制系統(tǒng)，最終欲實(shí)現(xiàn)的主要任務(wù)目標(biāo)有：（1）小船的基本航行功能，包括前進(jìn)、后退、停止、加減速等；（2）識(shí)別水面垃圾并能進(jìn)行回收。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由船體及推進(jìn)裝置、 主控制芯片、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、供電 電源以及圖像識(shí)別傳感器等構(gòu)成。.船體及推

3、進(jìn)裝置船體的構(gòu)造與設(shè)計(jì)直接決定小船能否安全運(yùn)行以及運(yùn)行是否順暢，推進(jìn)裝置的選擇與設(shè)計(jì)將影響小船的運(yùn)行效率以及安全性、穩(wěn)定性等。為了 保證小船能夠安全、穩(wěn)定、高效地在水面行駛，我們必須對(duì)智能小船的外 型構(gòu)造以及推動(dòng)裝置進(jìn)行合理的選擇與設(shè)計(jì)，保證各個(gè)組成部分能夠相互 配合。船體應(yīng)按空間大小，運(yùn)行穩(wěn)定，堅(jiān)固性等要求來(lái)設(shè)計(jì)，我們使用過(guò)純 3D打印船體（重量?。└グ迤囱b船體（空間大，重量大），DIY塑料船體（重量小，使用方便）。.主要控制系統(tǒng)主控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能船無(wú)線控制的中樞， 主控系統(tǒng)的工作正常與否直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。這就要求主控制器得有較高的計(jì)算處理能 力、較高的可靠性、可擴(kuò)展性及兼容

4、性。此外，功耗大小以及性價(jià)比高低 也是衡量主控制器的重要標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)的選型要根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)和性能要求, 通常需要考慮以下內(nèi)容：(1)單片機(jī)的資源，如用/并行接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷源數(shù)目以 及存儲(chǔ)器的容量等。(2)價(jià)格、封裝形式、體積以及性價(jià)比等。(3)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)短、開(kāi)發(fā)環(huán)境難易等。深圳宏晶公司的STC89C52RCE片具有集成度高、片內(nèi)資源豐富、開(kāi)發(fā)起來(lái)便捷高效、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)主控制器的要求。本設(shè)計(jì)采用的STC89C52RC5片，該芯片具有低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn) 的8位單片機(jī)。相比于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，STC89C52R吶部資源更力口豐 富，因而在國(guó)內(nèi)應(yīng)用十分廣泛。STC89C

5、52RC1經(jīng)典的51單片機(jī)指令系統(tǒng)相兼容，工作電壓范圍為 3.3V-5.5V,工作頻率范圍為040MHz內(nèi)部集成了容量為 8K的Flash程序存儲(chǔ)器(Flash ROM)以及容量為512B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)，該芯片集成了32個(gè)通用I/O 接口(PDIP封裝)、1個(gè)通用異步串行接口( UART、3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及6個(gè)中斷源(包含2個(gè)外部中斷)-單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖.電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)小船推進(jìn)裝置的核心。 只有選擇合適的電 機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路來(lái)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)行， 才能實(shí)現(xiàn)整只小船的基本航行要 求。電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的選型，將直接影響小船的各種航行狀況以及控制

6、難度。對(duì)于直流電機(jī)，欲保持其轉(zhuǎn)動(dòng)，我們只需給其接通直流電，因而控 制起來(lái)尤為簡(jiǎn)單。同時(shí)，直流電機(jī)可采用電壓調(diào)速與脈寬調(diào)速（PWMM速） 這就意味著，我們不僅可以通過(guò)升高或降低電樞電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可通過(guò)改變電樞通電時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。由于單片機(jī)的I/O 口驅(qū)動(dòng)能力有限，設(shè)計(jì)中需要采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路本質(zhì)上為一個(gè)功率放大電路，本設(shè)計(jì)采用應(yīng)用廣泛的H橋驅(qū)動(dòng)電路。H橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見(jiàn)電路，它 可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向運(yùn)轉(zhuǎn)以及 PWM調(diào)速等。鑒于設(shè)計(jì)需要兩個(gè)直 流電機(jī)來(lái)帶動(dòng)船尾的螺旋槳?jiǎng)幼鳎覀冃枰獌蓚€(gè)性能一致的H型電路，為 此我們選擇應(yīng)用廣

7、泛而且十分符合本設(shè)計(jì)要求的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。L298N是一種常見(jiàn)且廣泛應(yīng)用的15引腳電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。它是一種高 電壓、大電流的雙通道全橋驅(qū)動(dòng)器，可外接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平并驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，比如繼電器，螺線管以及直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。該芯片提供了兩個(gè)使能信號(hào)輸入端，用于獨(dú)立控制每個(gè) H橋驅(qū)動(dòng)電路。止匕外，L298N 還提供了一個(gè)額外的電源輸入，使得模塊可工作在較低的電壓。1112IsEXA 0L71OUT2Vs.INI總IN?GNJ置汴吧機(jī)10 P：IsEXA 0L71OUT2Vs.INI總IN?GNJ置汴吧機(jī)10 P：。54UT3IMEX0。54UT3IMEX0TV1VSSTP他 一 VCCL

8、298N原理圖4.圖像識(shí)別傳感器圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能。將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為 與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)。與光敏二極管，光敏三極管等“點(diǎn)”光源 的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將 其轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的一種功能器件。在我們這個(gè)設(shè)計(jì)中需將水面漂浮物 與水面進(jìn)行辨別，“眼睛”識(shí)別后將信息反饋給主控制器，前往該處進(jìn)行垃 圾回收。針對(duì)這一應(yīng)用我們選用的是 OV7670B覺(jué)巡線攝像頭模塊。同時(shí)采用遠(yuǎn)程fpv圖傳來(lái)傳輸清潔船前方的實(shí)時(shí)圖像，可以通過(guò)顯示器 查看水域附近的污染和水生植物的泛濫情況，當(dāng)打撈工作開(kāi)始的時(shí)候，也可 以通過(guò)攝像頭傳輸?shù)漠嬅婢珳?zhǔn)打撈漂

9、浮物。該傳感器體積輕盈，低熱量，距 離遠(yuǎn)，頻道多，它是遠(yuǎn)程拍攝微波傳圖領(lǐng)域的首選。在畫質(zhì)的處理上，優(yōu)秀 的5.8G視頻傳輸器能夠完全釋放出64位模擬色彩度輸出。5.供電電源的選擇電源電路為整個(gè)系統(tǒng)供電，包括STC89C52RC控制器、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊、OV7670B覺(jué)巡線攝像頭模塊及其它外圍電路等。在本智能船控制系統(tǒng) 中，我們需要供電電源提供3.3V、5V、12V這三種直流電壓。其中，3.3V 直流電壓用來(lái)給圖像識(shí)別模塊等供電；5V直流電壓用來(lái)給系統(tǒng)供電，以保證 主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及 GPS奠塊等的正常運(yùn)行；12V直流電壓用于給 船尾的兩個(gè)直流電機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。為了供電電源

10、的可持續(xù)性，我們 選擇了可充電電池組作為供電電源，解決了重復(fù)供電、持續(xù)供電的問(wèn)題。.垃圾回收裝置的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐，我們的小船最終選擇模仿大型打撈船的利用船身慣性通 過(guò)傳送帶將水面漂浮物進(jìn)行回收的設(shè)計(jì)，當(dāng)船身吃水較重時(shí)船體速度下降明 顯時(shí)，主控制器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)控制小船回到原點(diǎn)。.小船回收裝置的設(shè)計(jì)為了在小船返航過(guò)程中提高效率我們?cè)谛〈厦姘惭b了紅外線遙控裝置， 預(yù)防出些特殊情況時(shí)失去對(duì)小船的控制。能在80-150米范圍內(nèi)能進(jìn)行有效回 收。三、調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案.保持小船前進(jìn)航行，發(fā)現(xiàn)航行并不是嚴(yán)格沿著一條直線行駛。原因分析：河面有風(fēng)力干擾；兩個(gè)直流電機(jī)供電電壓及性能不完全對(duì)稱；船體

11、 左側(cè)稍重（左側(cè)放置了單片機(jī)），左右不平衡。解決方案：在船身兩側(cè)加上帶導(dǎo)水槽的浮筒；盡量在無(wú)風(fēng)的河面進(jìn)行測(cè)試，并 更換參數(shù)幾乎一致的直流電機(jī)；在船體右側(cè)填充物塊，盡量保持船身左右平衡。總 的來(lái)說(shuō)，這一現(xiàn)象對(duì)小船的運(yùn)行功能沒(méi)有太大影響。.小船測(cè)試完發(fā)現(xiàn)船體內(nèi)部船尾部分滲水。原因分析：經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)是尾部船槳部分密封性不佳，導(dǎo)致水滲入船體。解決方案：購(gòu)買硅橡膠對(duì)船尾螺旋槳部分進(jìn)行密封貼合處理。.小船在圖像識(shí)別過(guò)程中會(huì)遺漏一些小型水面漂浮物。原因分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)的IO 口與圖像識(shí)別傳感器的時(shí)鐘速度不匹配。解決發(fā)案：重新修正圖像識(shí)別彳感器的時(shí)鐘速度，使與STC89C52RC：控制器單片機(jī)的時(shí)鐘速度匹配。四、

12、研究成果船模一圖片船模二圖片船模三圖片五、研究心得校創(chuàng)項(xiàng)目到現(xiàn)在，已經(jīng)過(guò)去一年多的時(shí)間了。我們從開(kāi)始的一無(wú)所知、 一籌莫展，到現(xiàn)在目標(biāo)明確、方案清晰，并且制作出了一點(diǎn)作品?；叵氘?dāng) 初開(kāi)展研究項(xiàng)目的過(guò)程，從開(kāi)始尋找課題到申請(qǐng)立項(xiàng)、撰寫項(xiàng)目申請(qǐng)書； 到查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，確定研究目的和尋找創(chuàng)新點(diǎn)；并制定詳細(xì)的實(shí)施方 案和步驟；對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行相關(guān)的調(diào)查和研究；到最后確定項(xiàng)目的可行性等， 這一步步走來(lái)，其中付出的努力和汗水只有經(jīng)歷過(guò)的人才懂，其中獲得的 經(jīng)驗(yàn)和成長(zhǎng)也只有經(jīng)歷過(guò)的人才會(huì)分享和擁有！這是一次難得的經(jīng)歷，一 次讓我們得到鍛煉和成長(zhǎng)的經(jīng)歷。在做這個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中，通過(guò)嘗試來(lái)獲取可行的方案，由于我們的項(xiàng)

13、 目是與水有關(guān)，而我們學(xué)校老區(qū)附近沒(méi)有合適的水環(huán)境來(lái)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)問(wèn)題 困擾了我們很久，以及缺少實(shí)驗(yàn)室和給力的工具，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)度遲緩。但 是我自從有了這個(gè)項(xiàng)目的想法就一直盼望把他做出來(lái)，不僅可以促進(jìn)我學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，同時(shí)能用我們做出來(lái)的東西去清潔水面垃圾（雖然只是小 模型）。對(duì)于船模，我們做了三個(gè)，第一代是使用雪弗板拼裝出一個(gè)簡(jiǎn)易船模， 把相關(guān)的電機(jī)和電池放進(jìn)去以后，重量偏大，船內(nèi)有點(diǎn)滲水，而且電機(jī)功 率太小，推不動(dòng)整個(gè)船的運(yùn)動(dòng)。很快我們就放棄這套裝置，第二代，我們 重新建模，使用整體3D打印，由于3D打印機(jī)的限制，所以縮小船體，由 于打印的船體很輕，所以在水面運(yùn)動(dòng)不成問(wèn)題，但是縮小后的船體空間不 足，垃圾回收倉(cāng)就很小。第三代，選擇在網(wǎng)上購(gòu)買成本較低、簡(jiǎn)易的帶有 船槳的船體外殼并進(jìn)行后期設(shè)計(jì)改裝。購(gòu)買的DIY船體具有合理的船殼設(shè)計(jì)，自帶螺旋槳等推進(jìn)裝置，大幅度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)效 率。且船身兩側(cè)可以裝上導(dǎo)水式浮筒，有很強(qiáng)的抗風(fēng)浪功能。對(duì)于圖像識(shí)別部分，是我們最大的遺憾，我們先是選擇OV7670視覺(jué)巡