水面垃圾清理机器人控制系统研究

马梦遥 李海峰 蔡晓彤 冯榆寒 王辉

摘要：水面垃圾的清理是一个无法高效解决的难题，目前现有的水面垃圾处理方式主要以人工打捞为主，简单机械配合为辅，但仍存在清理费用高、耗时长、效率低、危险性高的现状。基于我国水体污染垃圾清理的难题，为提高水面垃圾清理的效率，本文介绍了一种水面垃圾清理机器人的控制系统。该控制系统能使机器人能灵活地、精确地在水面上高效工作，并能通过人机交互对机器人进行控制，实现其对水面垃圾的高效清理工作，本文对水面垃圾清理机器人控制系统进行研究。

关键词：水面清洁;机器人;水面漂浮垃圾清理;远程遥控

1、引言

水体资源是水体环境乃至整个生态环境中的重要组成部分[1]，但是随着工业石油化工行业的发展，工业垃圾的排放和人为丢弃垃圾的行为，对脆弱的水体环境造成严重的破坏，依靠自然界的自我修复能力以远远不能维持生态环境的生态平衡。与此同时，由于水体的流动性，漂浮在水体表面的悬浮物不仅造成附近水体环境的污染，还会造成更大范围水体的污染，而传统清理方式主要以人工打捞的方式为主，简单机械配合为辅，通过驾驶船对范围区域内的漂浮污染物进行打捞，但存在工作效率低、资源耗费大的现象[2]。本文利用现有的先进技术，对水面垃圾清理机器人控制系统进行设计研究，将技术与智能化设备相整合和优化，实现针对区域内漂浮于水面的垃圾进行智能化识别和处理，并通过一体化操作，实现水面垃圾的高效打捞，提高水面垃圾清理的效率。

2、水面垃圾清理机器人控制系统整体构架设计

根据水面机器人的全部处理功能对水面垃圾清理机器人控制系统进行设计，从而构设出基于智能处理与终端操控部件相结合的整体构架，实现以传感器信息采集与识别为处理基础、以中央控制系统为核心逻辑处理部件、以终端操控机构为垃圾清理的载体、通过系统内部精密算法对不同的数据信息进行处理，从而实现水面垃圾清理机器人的全部功能。

本文所采用无线通讯模块作为双向通信控制单元，以手机终端作为信息传输载体，可利用软件及小程序控制，实现水面垃圾清理机器人的高度自动化作业。水面垃圾清理机器人在工作过程中采用节能型的锂电池供电系统配备电动机来驱动垃圾清理机器人的运行。电机控制过程主要是采用PID经济算法实现精准控制。

本系统主要通过传感器对水面环境数据进行采集，结合内部控制器，实现对水面垃圾所呈现出的空间点进行智能识别。把采集数据反馈到32位单片机中央处理系统，进而制定出完整的规避路径，有效的解决水面垃圾清理机器人在运行过程中产生碰撞问题。除此之外，本系统所采用的单片机和主控制芯片具有可拓展功能，可针对此不同的实际需求对芯片进行拓展。

3、水面垃圾清理机器人硬件系统设计

3.1单片机系统

本设计采用的主体控制芯片为32位单片机，其最高主频率可达480MHz，芯片采用24个I/O处理接口以及USART通讯接口，计算时可以通过PID控制策略，对机器人的动力系统进行驱动，实现高精度的快速响应[3]。

3.2避障模块

水面垃圾清理机器人在运行过程中，主要针对工作路径之内的水面漂浮污染物进行清理。但在水面垃圾清理机器人作业过程中，障碍物将影响机器人的运行，一旦水面垃圾清理机器人与障碍物产生碰撞可造成损毁问题。避障模块的设计主要是保证水面垃圾清理机器人具备垃圾识别与规避功能，规避作业过程中所可能产生的碰撞问题[4]。在实际驱动过程中，收集出机器人在作业过程中可能出现的各障碍物坐标信息，利用中央处理器的运算，规定出最优化行驶路径，保证水面垃圾清理机器人作业的安全性。

3.3遥控辅助系统

遥控辅助系统主要针对各类机器人的反馈信号以及人工干预控制信号进行无线传输和远程操控，可有效将整个操控模式独立于设备内部，通过接收器与遥控器信号互联实现遥控。确保在智能控制条件下，也可以通过人工操控进行整体状态的调整，更为精准的对水面垃圾进行处理。

3.4 Wi-Fi模块

Wi-Fi模块在设计时是选用T-pinK路由器作为主体连接源，在整个Wi-Fi终端安装摄像头以及信号解析软件，确保外界采集到的数据可实现定向化推送，实现数据信息传输的时效性，提高整体控制精度。

4、水面垃圾清理机器人软件系统设计

在对水面垃圾清理机器人系统进行设计时，采用C语言进行软件编程。在多个动力驱动装置联动处理下，采用高效安全的自检验编程策略，采用多重保护机制编程策略。每个功能模块采用独立封装的函数模式，保证数据在传输时可将整个采集信息与外界信息进行关联，确保机器人在作业和运行过程中高效、安全地执行程序[5]，从而满足水面垃圾清理机器的全部要求。

5、水面垃圾清理机器人控制系统调试及实现

在完成设计软硬件系统后，需要对整个系统进行调试处理。在实际操作过程中，水面垃圾清理机器人的运行可实现自动化操作，当输入某一项指令后，可通过主芯片系统的协调处理，使水面垃圾清理机器人在水面之上工作运行。通过识别扫描系统，分析出不同水面垃圾以及不同水面障碍物之间的差異，并反馈至主系统中，从而完成一系列的漂浮垃圾的清理以及避障行驶等，规避风险问题的产生，提高漂浮垃圾清理的效率，降低漂浮垃圾清理的成本。

6、结语

综上所述，本文阐述了一款水面垃圾清理机器人控制系统，具备这种控制系统的水面垃圾清理机器人可将垃圾处理工作与智能系统相结合，打造出智能操控平台，使水面垃圾清理机器人设备在水面上实现自动运行，真正实现智能化、高效化的作业。

参考文献：

[1]陈玲.无人驾驶技术在水面垃圾清理船上的应用分析[J].船舶物资与市，2020（01）：50-51.

[2]张智源，常明堂，宋佳运，等.基于生态设计的城市水上垃圾清理船设计研究[J].科技创 新导报，2019（32）：108-110.

[3]王成龙.基于多通道连续肌电控制的手指康复训练系统的研究[D].杭州：浙江工业大学， 2019.

[4]刘烨.多模态脑电模式识别方法及其应用[D].上海：上海交通大学，2016.

[5]朱盛颖，郭旭玲，邓彦松.一种涡旋式水面清洁机器人[J].兵工自动化，2018，37（04）：76-79.