小水域智能清洁船的设计隋环斌曾实现

曹传剑

摘要：系统通过方案设计、分析、测试设计而成，由自动追光系统、动力系统、GPS定位系统、无线遥控系统、影像传输系统、作业系统和船体组成。该设计科学高效的综合利用混合能源，采用自动追光系统，主要是由光敏电阻来实现对光强信息的采集，数据通过芯片进行比较处理。后根据时间与电机转动角度之间的对应关系，计算出当时太阳的高度角和水平转动的角度，控制太阳能电池板对准太阳。从而最大限度的利用太阳光。GPS定位系统与影像传输相结合实现水域内船体和垃圾的准确定位，以及在与传感器的人机交互中避免船体在通过较复杂环境下产生碰撞。执行作业系统中的传送带通过动力系统转动，把由拦截系统所集中的垃圾通过抓盘在传送带的轉动下将垃圾回收至垃圾箱。船体采用双船体结构既方便太阳能板的安装又能够使船体在行进和作业过程中保持稳定运行。我们设计的作品在安装、使用方便，适合用户自购、自管、自用。

关键词：自动追光系统;GPS定位系统;人机交互;拦截系统

1.总体方案设计

通过方案设计、分析、测试设计而成，由太阳能自动追光系统、动力系统、GPS定位系统、遥控系统、传感系统、影像传输系统、作业系统和船体组成。如图1所示。

2.机械结构设计

2.1船体设计

整体采用双船体结构，同时也可以放置太阳能电池板，安装螺旋桨、动力系统、遥控系统、传感系统。作业系统和回收垃圾装置主要位于中间的船体。这样的设计不仅外观漂亮，而且结构合理，有利于船的平衡。

2.2太阳能自动追光系统设计

在考虑单一方向一组太阳能综合利用率较低的情况下，采用了两组太阳能板结合锂电池一起为整个系统供电。为实现太阳能能源的高效利用采用自动追光系统。设计采用一种时时控制模式，该模式的控制部分主要是由光敏电阻来实现对光强信息的采集，采集的数据传给ARM芯片进行比较处理。4个光敏电阻被安排在四个象限中，中间用挡板挡住。

2.3拦截机构、抓盘、回收箱的设计

在双船体中间位置外加半弧形的拦截机构，这样可以使得垃圾在较大区域内集中向抓盘所在位置移动最终实现垃圾通过传送带传动进入回收箱。这样实现垃圾最大效率的捞取和回收。

3.控制系统设计

3.1传感器系统

船只的两侧分别装有两个光电传感器主要是为了避免在作业过程中产生碰撞，防止对船体自身造成损害。也让其在较宽阔的水域进行探测障碍物，可以自己智能改变方向和速度，避免碰撞，可以实现无人操作自动作业[1]。

3.2电机驱动

双船体推力是采用双螺旋桨推动，独立电机，分别位于两个船体的后部，这样控制就灵活，而且也有足够的动力。

3.3稳压电源模块

稳定的电源对于一个控制系统来说至关重要，关系到系统能否正常工作，因此在设计智能车系统时为各个模块配置了合适、稳定的电源并且在电路设计上尽量避免不同电源和相同电源不同模块之间的干扰，保证了整个系统的稳定运行。智能车系统的总的电源供应来自7.2V大容量镍镉电池，摄像头以及大多数芯片均为5V供电，单片机最小系统需要3.3V低压。

3.4电机驱动模块

本系统使用的是BTN7960B芯片作为驱动电路，需要采用2块BTN7960B半桥驱动芯片组成一个全桥电路。BTN7960应用非常简单，只需要向芯片第2引脚输入PWM波就能控制[2]。当系统中只需要单向控制时，只需要让电机一端接地，另一端接BTN7960第4引脚。如果需要电机双向旋转控制，则需要另一片BTN7960共同组成全桥。系统利用单片机输出PWM信号通过隔离芯片74HC244来控制直流电机驱动芯片BTN7960，通过改变PWM波的占空比调节电机的转速，加上PID法对电机转速进行闭环控制。

4.系统软件设计

系统软件使用C语言编写而成，采用模块化设计思想，以主程序为核心[3]，设计了单片机初始化模块、速度控制模块、方向控制模块、串口发送模块、液晶显示等模块。整体设计实物图如图2所示。

参考文献：

[1]中国矿业大学：基于机器视觉的太阳能小型水域智能清洁船[J].中国电力教育，2017（08）：66-67.

[2]廖志青，范汝健，庄宇业，等.远程操控水面漂浮物清洁船的设计与应用[J].装备制造技术， 2016（12）：142-143.

[3]范汝健，莫泽生，庄宇业，等.基于51单片机的远程操控清洁船设计与控制系统[J].装备制造技术，2017（5）：298-299.

作者简介：

隋环斌（1997-），男，汉族，山东临沂人，学生，机械工程专业。