自动化垃圾收集船的设计与应用

甘鸿程 林超宇 黎凡 杨厚林 胡雅琛 郭帅 刘浩 聂寒璐

（1.哈尔滨理工大学  黑龙江哈尔滨  150080;2.西南石油大学  四川南充  637000;3.南京林业大学  江苏南京  210037;4.江西财经大学  江西南昌  330013;5.南京邮电大学  江苏南京  210023;6.大连理工大学  辽宁盘锦  124221）

摘   要：为了改善和解决中小型河道、湖泊等环境下的水面漂浮垃圾污染的严峻形势和问题，本文设计了一种基于STM32单片机的自动化垃圾收集船。该垃圾收集船由双体船船体，回桨齿轮箱，动力推进系统，自动化电控平台，垃圾收集网组成;实现旋转回桨，减小阻力的同时经图像处理后自动收集漂浮垃圾;多端口吸水管道增加排量的同时并吸附物体，物联网接入，多端通信可控等功能。本垃圾收集船改善并提高了中小型河道，湖泊等环境下的水面垃圾收集人工步骤繁琐安全性差和收集效率的问题。

关键词：河道  固体悬浮垃圾  垃圾收集船  自动化  自动化收集

中图分类号：U6                                      文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0070-02

Abstract： In order to improve and solve the tough situation and serious problems of floating garbage pollution on the surface of small and medium-sized rivers and lakes. This paper designs an automated garbage collection boat based on STM32 single-chip microcomputer technology.  The garbage collection boat is composed of a catamaran hull， a gear box casing， a power propulsion system， an automatic electronic control platform， and a garbage collection net; it realizes rotating paddle back， reducing drag meanwhile automatically collecting floating garbage after image processing; the multi-port suction pipe increases the displacement while adsorbing objects. It also has the functions of the Internet of Things and the controllable multi-terminal communication. The garbage collection boat solves the problems of poor safety and poor efficiency of manual garbage collection on the surface of small and medium-sized rivers， lakes and other environments.

Key Words： River course; Solid suspended refuse; Refuse collection boat; Automation; Automatic collection

1  河道污染現状分析

水是生命之源，河流是地球生态的脉络，随着现代化经济和城市建设的高速发展，无论是国内还是国外，生态环境与垃圾污染都是处在鱼与熊掌难以兼得的尴尬位置，目前江河湖泊污染情况日益严重，目前最主要污染源还是以固体垃圾为主，固体垃圾的水面漂浮不仅仅影响城市形象，还会影响水道植物光合作用，水体生物甚至会以固体垃圾为食影响生物种群数目，垃圾沉底与不完全降解产生底泥污染等[2]，河流环境污染的现状与危害实在令人痛心疾首。

而对于河流固体垃圾而言，其主要以水面悬浮形式存在，且以塑料悬浮垃圾为主。究其源头，实则来源于生活垃圾，例如城市乡镇中的河道，基本位于居民区附近，而一些生活在郊区的人喜欢把生活垃圾直接堆放在河堤上，一旦遇到下雨天气，这些垃圾就会被冲到河流里，随着河流处处漂泊，影响生态环境。长期以往，河道中的垃圾越来越多，影响恶劣。最明显的例子是2009年9月10日，“斯克里普斯环境塑料积聚远征”在加利福尼亚州与夏威夷间海域之间发现了著名的“东太平洋垃圾岛”，该岛主要由生活垃圾构成，其中80%主要来自陆地的废弃塑料制品，重达350万吨[1]。

2  目前河道固体漂浮垃圾的解决方案及创新改进提出

目前大部分的城市解决河道固体悬浮垃圾的方法主要为人工打捞，一般以长杆捞网、长柄垃圾钳等简单收集工具为主，效率低下，且不时河道周边淤泥纵深，灌丛交错，垃圾收集过程如履薄冰，危险度较高且难以收集，不仅人工维护成本较高，而且效率确实低下。

虽然现阶段国内外对于河道垃圾污染已经出现了部分机械化垃圾收集作业设备，但基本体型庞大，适用水域条件有所限制，不太适用于中小型城市河道与湖泊，但售价及维护成本高昂，故清理工作难以长期持续有效进行。

针对以上问题，本文设计提出一种改进垃圾船船体——新型自动化垃圾垃圾船，会极大地提高中小型水面流域的水面固体垃圾打捞收集的工作效率，节约人工维护成本，进而更好地解决了水体固体垃圾污染给我们环境与生活带来的困扰与问题。

3  船体方案设计与工作原理

本实验项目根据将要实现新型水面垃圾船的功能，包含摄像识别模块与检测模块等众多子模块。首先通过摄像头采集水面信息后把画面通过WIFI发送到电脑，通过算法进行特征提取后与图库中图片对比判断其是否是垃圾;然后通过超声波所测距离，比较拍摄图片中的物体移动速度与水流速度从而判断其是否为漂流物体。若两者均满足要求，电脑判定为垃圾，通过WIFI发送收集指令与STM32主控芯片，首先输出两路PWM（pulse width modulation）方波并依据差速控制原理控制两个主电机运作，使垃圾船移动到垃圾附近;然后再输出两路PWM控制负责两个收集船桨的副电机，使船桨运作聚拢近点垃圾;最后通过将塑料瓶等垃圾聚拢于双体船船体的中间所成水道位置，此时吸水口产生的吸力会将塑料瓶送入垃圾收集船的中间水道后进入收集箱。在垃圾船运行期间，检测模块将间歇性检测船体所在区域的相关信息，这些信息包括是否降雨、电量剩余值、水质的pH值、水体流速、水体浑浊度、水体温度与空气PM2.5值，主控芯片定时通过WIFI发送与电脑并及时更新显示在屏幕上。

4  船体机械结构设计

自动化垃圾收集船采用双体船结构，通过船桨回浆以及吸水口产生吸力同时船体运动收集水面固体悬浮垃圾。主要由双体船船体（1），吸水口（2），垃圾回收网（3），喷水口（4），推进器（5），纱网船桨（6），回浆齿轮箱（7），电控平台（8）组成。结构简图如图1所示。船体由双体船结构组成左右结构对称，船体的中前部位凹槽内设有回浆齿轮箱;船体内侧面上设有吸水口，能够为船体补充动能的同时，对垃圾产生吸力;船体的左右两船体部分通过连接桥连接;船体的尾端底部安装有推进器;船体的末端安装有垃圾回收网;船体最上端的电控平台会工作时会搭设摄像识别模块，部分传感器和电控以及通信模块。

5  船体主要硬件模块设计

5.1 主控模块

本实验项目选取STM32F103ZET6作為主控制的芯片。STM32F103ZET6芯片拥有144个引脚，其中包含112个的I/O口，拥有512K的FLASH、64K的SRAM、32位高性能ARM Cortex-M3处理器。而且该芯片定时器多达11个，通信接口多达13个。这些配置目前已达到本次设计的要求。

5.2 摄像识别模块

图像数据来自于PTC01系列摄像头，是一款红外照射且能自动变焦的工业级相机。该摄像头在图像尺寸设置为640×480时， 其图像数据为25 KB左右， 图像数据完整地保留在摄像头数据缓存器里。通过WIFI无线图像传输模块发送于电脑端后可以一次完整地读取整幅图像数据。

5.3 检测模块

依据设计要求并综合个方面要素，本检测模块包括悬浮颗粒污水浑浊度水质检测、水体温度、光照强度、pH值检测传感器、粉尘PM2.5颗粒物检测、电池电量监测和雨滴感应监测等模块。这些模块检测到的信息会定时发送给电脑端，基于动态扫描法完成实时显示的功能。在此期间，惯性测量单元IMU也能够感知船体在水中的姿态，并将数据发送给控制器。控制器根据指令以及MPU6050检测的数据通过算法运算后，根据船体在水体中的状态从而调整相应电机转速，完成自我调整[4]，进而控制船体稳定[3]。

6  软件分析及设计

软件控制是整个船体实现高度自动化的核心，为实现各种功能做好相应准备。而本设计系统软件采用了模块化结构， 由主程序、电机驱动子程序、中断子程序、显示子程序、调速子程序和接收指令子程序等构成。主控制板上电后首先实现各个模块初始化，然后实现对传感器的信号采集与相关电机的控制。

7  结语

我们团队主要针对河道垃圾污染严重且小型流域基本不具备垃圾收集船运行条件这一些现象，并从已知资料了解到现有的垃圾收集船几乎没有实现高度自动化，故根据现有技术研发出新型的垃圾回收船。并运用了三维软件Pro/Engineer将此船体模型制作出来，运用了模拟试验方法确定其可行性后将其打印出来。经过不断测试后发现测试的数据令人十分满意，一定程度上提高了收集效率，对我国水体固体污染净化有十分显著的效果。我们特别希望越来越多的人了解这个船体，越来越多的人去保护我们的环境，让垃圾船永无用武之地！

参考资料

[1] 孝文探访太平洋巨型塑料垃圾漩涡[OL].人民网，2009.

[2] 于玉彬，黄勇.城市河流黑臭原因及机理的研究进展[J].环境科技，2010，23（2）：111-114.

[3] 陈新泉.四旋翼无人机飞控系统设计与研究[D].南昌航空大学，2014.

[4] 李臣龙，强俊.基于STM32和MPU6050姿态解算的研究与实现[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2017，35（2）：295-298，316.