水面垃圾清理機(jī)器說(shuō)明書(shū)

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1、 水面垃圾清理機(jī)器的設(shè)計(jì) 目錄 專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 一．摘要 2 二．Abstract 3 三．引言 4 四． 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 四．1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念 4 四．2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 四．3 垃圾收集裝置設(shè)計(jì) 6 四．4 垃圾輔助收集裝置設(shè)計(jì) 6 五．船重和排水量的計(jì)算 7 六．最大吃水深度的計(jì)算 7 七．動(dòng)力裝置設(shè)計(jì) 8 八．硬件設(shè)計(jì) 10 八.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 10 八．2電源模塊 10 八.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 11 八．4無(wú)線傳輸模塊 11 八．5繼電器模塊

2、12 八.6主程序設(shè)計(jì) 12 九． 影像收集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 十． 工作參數(shù)，待機(jī)和工作時(shí)長(zhǎng) 14 十一. 垃圾收集特性及參數(shù) 14 十二.外觀特性 15 十三. 控制方式 15 十四. 成本報(bào)告 15 十六. 市場(chǎng)分析 19 十六.1 市場(chǎng)推廣 19 十六.2 盈利模式 19 結(jié)束語(yǔ) 19 參考文獻(xiàn)： 20 一．摘要 本文為解決現(xiàn)如今小型封閉水面垃圾清理耗費(fèi)人力物力等問(wèn)題，設(shè)計(jì)制作了一款由人工輔助遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行水面垃圾清理的機(jī)器人。水面垃圾打撈船針對(duì)水面環(huán)境污染的問(wèn)題，主要致力于中小型湖泊河流等水域的固體垃圾清理，如塑料袋、飲料瓶，樹(shù)枝樹(shù)葉以及其

3、它易清理的水面垃圾。實(shí)現(xiàn)水面垃圾清理的機(jī)械化與自動(dòng)化，整個(gè)打撈過(guò)程無(wú)需人工直接參與，安全性非常好，效率大約是人工打撈的幾十倍，水面越大、距離越遠(yuǎn)效果越顯著。本文主要對(duì)水面垃圾自動(dòng)打撈船進(jìn)行了船體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置、打撈及傳輸裝置、垃圾存儲(chǔ)裝置以及其他零部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核等。分析了水面垃圾自動(dòng)打撈船需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，在實(shí)際環(huán)境背景下，研究了水面垃圾自動(dòng)打撈船的系統(tǒng)構(gòu)成及功能、各零部件的的設(shè)計(jì)方法以及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式。該機(jī)器人采用穩(wěn)定性較高的雙船體結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)估的船體大小及載重，選用合理尺寸的PVC方形管作為船體，利用網(wǎng)狀式垃圾收集箱存放垃圾，采用旋轉(zhuǎn)滾刷輔助收集垃圾，通過(guò)圖傳系統(tǒng)采集遠(yuǎn)距離水面垃

4、圾影像，用基于STM32芯片的控制系統(tǒng)進(jìn)行方向、速度的控制。整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定，外觀簡(jiǎn)潔美觀，制作材料合理，成本低廉，采用電力驅(qū)動(dòng)節(jié)約能源、無(wú)污染，且收集垃圾快速有效。 關(guān)鍵詞：人機(jī)交互；節(jié)約能源；效率高；雙船體；圖傳；STM32；旋轉(zhuǎn)滾刷 二．Abstract In order to solve the problem of the waste disposal of small enclosed water surface, this paper designs a robot which can be used to clean the surface of wat

5、er. Garbage salvage ship the water on the surface of the water environment pollution problem, is mainly engaged in small and medium such as lakes and rivers clear waters of the solid waste, such as plastic bags, bottles, branches and leaves other easy to clean up the water waste. Realize the rubbish

6、 the mechanization and automation of the water, the whole process without human directly involved in the salvage, security is very good, efficiency is about artificial fishing a few times, the bigger surface, the farther the distance effect more significant. In this paper, the design, calculation an

7、d check of the hull structure, power plant, salvage and transmission device, garbage storage device and other parts are carried out. Analyzed the water garbage salvage ship automatically the function of the need to implement, under the background of the actual environment, studied the water garbage

8、salvage ship automatic system structure and function, the design method and the realization of the system of parts of the way. The robot adopts the high stability of double hull structure, through the forecast of the load and the size of hull, choosing reasonable size of the square tube as hull, PVC

9、 using mesh type junk boxes store garbage, USES the rotating roller assisted garbage collection, collection and long distance water waste through figure pass system image, a control system based on STM32 chip for direction and speed control. The whole robot structure is reasonable and stable, the ap

10、pearance is simple and beautiful, the making material is reasonable, the cost is low, the electric power drive saves energy, pollution-free, and the collection of garbage is fast and effective. Key words: human-computer interaction; Energy conservation; High efficiency; Double hull. Figure pass; ST

11、M32; Rotating roller 三．引言 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，產(chǎn)生的垃圾也越來(lái)越多，由于環(huán)保意識(shí)的缺乏，很多垃圾直接或者間接的進(jìn)入江、河、湖、海，造成現(xiàn)如今水污染嚴(yán)重的局面，而水是生命不可或缺的自然資源，治理水污染勢(shì)在必行?，F(xiàn)如今的水面垃圾清理方法多采用費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的人工打撈，即使有些地方使用機(jī)械清理的方式，但大部分都是采用較大型機(jī)械，不僅浪費(fèi)能源，而且還會(huì)產(chǎn)生二次污染，難以普及使用。因此設(shè)計(jì)一款實(shí)用性很強(qiáng)的水面垃圾清理收集裝置是社會(huì)的需要。 本文設(shè)計(jì)制作的水面垃圾清理機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、靈活，采用電力驅(qū)動(dòng)，無(wú)需浪費(fèi)大量能源且節(jié)約環(huán)保，由人工遠(yuǎn)程遙控船體移動(dòng)并進(jìn)行

12、垃圾清理，節(jié)約了人力、提高了效率，通過(guò)其上安裝的圖傳系統(tǒng)能夠在遠(yuǎn)距離情況下精準(zhǔn)快速的將垃圾收集。由這些特點(diǎn)可以看出，此款水面垃圾清理機(jī)器人可以取代傳統(tǒng)的人工打撈方式，有很好的應(yīng)用前景。 四． 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 四．1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念 此款水面垃圾清理機(jī)器人整體采用雙體船結(jié)構(gòu)。雙體船結(jié)構(gòu)穩(wěn)性很好，為了追求快速性能，提高工作效率，現(xiàn)在的船體基本都是細(xì)長(zhǎng)的，長(zhǎng)寬比7：1，甚至9：1。船傾斜后的回復(fù)力矩和水線面的慣性矩有關(guān)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)細(xì)長(zhǎng)的船體橫搖時(shí)回復(fù)力矩小，很容易左右搖晃。但是雙體船船體分為左右兩個(gè)，橫搖時(shí)回復(fù)力矩是同樣排水量的單體船的若干倍。就好比一個(gè)扁擔(dān)和一塊木板扔在水面上，扁擔(dān)能左右晃

13、不停而木板很穩(wěn)。而在水面進(jìn)行垃圾清理，穩(wěn)定性是非常重要的，雙體船可以在承受較大風(fēng)浪的前提下仍能穩(wěn)定工作。雙體船寬度較大，兩船體之間的空間開(kāi)闊，而此款水面垃圾清理機(jī)器人需要安裝容量較大的網(wǎng)狀式垃圾收集箱，船體寬度范圍內(nèi)需要安裝有效的輔助垃圾收集的滾刷結(jié)構(gòu)，另外還需要安裝控制系統(tǒng)，而雙體船寬闊的空間使得這些設(shè)備能夠合理有效的布置。 四．2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 兩側(cè)船體如圖1所示,采用100*150*440mm規(guī)格的PVC方形管制成，PVC管重量較輕且密封性能好，是制作船體的很好選擇。船體前端和后端均采用流線型結(jié)構(gòu)，可以減小水流阻力，提高船體行駛 速度。前端和后端用PLA材料經(jīng)3D打印

14、制作而成，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕盈且防水性能好。船頭、船尾和PVC方管采用M4圓頭螺釘相互連接，連接處以及鉚釘處用防水密封膠密封，防止船體因漏水影響正常工作。左右船體內(nèi)部使用泡沫填充，使得防漏水工作得到雙重保障。3D打印船尾底部有螺旋槳固定瓦片，以便螺旋槳推進(jìn)器的固定。 圖1船體實(shí)物圖及三維模型圖 左右船體采用10mm*20mm規(guī)格的鐵質(zhì)方管焊接而成的框架連接，如圖2?？蚣芸傮w尺寸為270mm*335mm，頂部采半徑125mm的弧形結(jié)構(gòu)，以方便流線型船殼固定，底部為水平結(jié)構(gòu)。船體和框架用螺釘連接，連接處用密封膠進(jìn)行防水處理，連接后船體總寬度為470mm，左右船體之間空隙尺寸為2

15、50mm*200mm，用以放置垃圾收集箱。 圖2船體連接架實(shí)物圖及三維模型圖 四．3 垃圾收集裝置設(shè)計(jì) 水面垃圾清理機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的主要功能是垃圾的收集和傾倒，本設(shè)計(jì)采用如圖3所示網(wǎng)狀式垃圾收集裝置，容量大可快速更換，可以在有效收集垃圾的前提下減小水流以及空氣的阻力，提高工作效率。網(wǎng)狀式收集箱采用塑料膠網(wǎng)裁剪制成，邊角由PVC拐角固定，總體尺寸為235mm*175mm*550mm。工作時(shí)可收集最大直徑為90mm的垃圾，通過(guò)遙控船體向前移動(dòng)以及前端輔助裝置的運(yùn)行，使垃圾通過(guò)船體中間通道進(jìn)入垃圾收集箱而不會(huì)流出。當(dāng)收集垃圾完畢后，可由人工輔助將收集箱從船體前端抽出倒入后續(xù)

16、垃圾收集裝置。 圖3垃圾收集箱實(shí)物圖及三維模型圖 四．4 垃圾輔助收集裝置設(shè)計(jì) 如圖4所示，水面垃圾清理機(jī)器人的最前端設(shè)有垃圾輔助收集裝置，由旋轉(zhuǎn)式滾刷和垃圾收集擋板組成。旋轉(zhuǎn)式滾刷由滾筒和毛刷構(gòu)成，滾筒由廢舊的玩具船船體加工制成，毛刷由廢舊掃把毛經(jīng)3D打印支架固定于滾筒水平兩側(cè)母線。滾筒刷通過(guò)3D打印的子彈頭型支架固定于15mm*15mm的國(guó)標(biāo)鋁材調(diào)節(jié)梁上，以方便調(diào)節(jié)輔助裝置距離水面的距離。滾筒內(nèi)部固定有防水電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部有偏心齒輪，偏心齒輪與作為輸出軸的齒輪軸嚙合，輸出軸通過(guò)固定卡具固定于滾筒之上，從而帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)輔助垃圾收集。滾刷下方有固定于船體之上的垃圾

17、收集擋板，擋板由3mm厚度的亞克力板通過(guò)激光切割制成。擋板上切有直徑16mm的若干通孔，從而減小水流對(duì)船體的阻力，提高工作效率。當(dāng)船體向前行駛時(shí)，擋板會(huì)將分散的垃圾聚集于滾刷之下，從而方便滾刷旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾進(jìn)入后方收集箱內(nèi)，保證了垃圾收集的效率，以及收集的穩(wěn)定性。 圖4垃圾輔助收集裝置實(shí)物圖及三維模型圖 垃圾收集輔助裝置，采用旋轉(zhuǎn)式滾筒刷結(jié)構(gòu)，既可以快速有效的將垃圾帶入網(wǎng)狀式垃圾箱，又可以防止垃圾從箱內(nèi)退回流出，其中采用的軟毛刷材料，既可以減小空氣阻力，又可以在有效帶動(dòng)垃圾 進(jìn)入收集裝置的同時(shí)避免垃圾卡在滾筒與水面之間。因此，該輔助裝置是非常實(shí)用的。 五．船重

18、和排水量的計(jì)算 船在滿載時(shí)的總質(zhì)量m總=m船+m蓄電池+m其他+m螺旋槳+m垃圾 其中船體的重量約為20kg，蓄電池的重量為2kg，螺旋槳的重量為5kg，所能存儲(chǔ)的垃圾的最大重量約為8kg 故總質(zhì)量 由公式（其中）可得 V排=/ = =0.035m3 該船的重排水量為 六．最大吃水深度的計(jì)算 該船的面積由數(shù)學(xué)公式可得A0.5㎡ 由公式可得船的最大吃水深度為 / 該船的最大吃水深度為70mm，而船體的高度為150mm

19、，故船體的高度滿足需求。 七．動(dòng)力裝置設(shè)計(jì) 船舶推進(jìn)器是船舶上提供推力的工具，它的作用是將船舶動(dòng)力裝置提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成推力，推進(jìn)船舶。船舶推進(jìn)器即推動(dòng)船舶前進(jìn)的機(jī)構(gòu)。它是把自然力、人力或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成船舶推力的能量轉(zhuǎn)換器。推進(jìn)器按作用方式可分為主動(dòng)式和反應(yīng)式兩類(lèi)?？咳肆蝻L(fēng)力驅(qū)船前進(jìn)的纖、帆（見(jiàn)帆船）等為主動(dòng)式，槳、櫓、明輪、噴水推進(jìn)器、螺旋槳等為反應(yīng)式。現(xiàn)代運(yùn)輸船舶大多采用反應(yīng)式推進(jìn)器，應(yīng)用最廣的是螺旋槳。 根據(jù)蓄電池的直流供電特點(diǎn)以及船體的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，選用懸扣式電動(dòng)船舶推進(jìn)器，該類(lèi)推進(jìn)器功能性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便安全，應(yīng)用范圍廣。電動(dòng)船舶推進(jìn)器是種新穎的水中動(dòng)力器具，

20、有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效能轉(zhuǎn)換率高、工作時(shí)無(wú)噪音等特點(diǎn)，且還具有綠色環(huán)保，按裝便捷、維護(hù)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，是一些小型的船艇作為動(dòng)力的首選產(chǎn)品，比較符合本設(shè)計(jì)的功能需要。 該類(lèi)船舶推進(jìn)器的選用不銹鋼、鋁合金或高強(qiáng)度合成纖維，保證推進(jìn)器具有足夠的剛性并經(jīng)久耐用；采用電子調(diào)速，以滿足不同速度的需要；使操控更加方便；螺栓安裝快速方便，并帶有防撞脫扣機(jī)構(gòu)，保護(hù)馬達(dá)安全；防纏型螺旋漿，防止推進(jìn)器因被水草纏繞而堵轉(zhuǎn)。 鑒于船在行駛的過(guò)程中會(huì)因?yàn)樗饕约白陨斫Y(jié)構(gòu)所造成的阻力而受到影響，故在選擇船用推進(jìn)器的時(shí)候就要考慮該船舶推進(jìn)器的最大推力是否大于船在行駛過(guò)程中所受到的最大阻力，并以此為依據(jù)來(lái)選擇合適的船舶推進(jìn)器

21、。水流對(duì)船體的阻力可由下式來(lái)確定 式中：—流體阻力系數(shù)，一般取 —侵濕面積（） —流體的密度（） 侵濕面積取船在最大吃水深度時(shí)的值，而最大吃水深度在前面計(jì)算得為70mm，根據(jù)數(shù)學(xué)方法計(jì)算可以可得，設(shè)船在水中行駛時(shí)的最大速度為1m/s,則船在行駛過(guò)程中，水流對(duì)船體的阻力為： =115.5N 則由于雙體船寬度比一般船舶要寬，吃水也較一般船舶淺，所以根據(jù)它的特點(diǎn)，采用了雙螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)。螺旋槳構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，使用方便，效率較高，是目前應(yīng)用最廣的推進(jìn)器。根據(jù)螺旋槳葉數(shù)不同效率不同的原則，如圖5所示，本設(shè)計(jì)選用了葉數(shù)適中的六葉螺旋槳，

22、根據(jù)預(yù)估的70mm吃水深度，雙槳螺旋槳直徑 D=1.2xF阻x70mm/100=97mm 得出螺旋槳直徑約97mm。將螺旋槳布置于船體兩側(cè)尾部下方，既可以保證螺旋槳吃水量，使螺旋槳產(chǎn)生的推力足夠且不會(huì)浪費(fèi)，又可以使船體轉(zhuǎn)向靈活、具有很強(qiáng)可操控性。 故根據(jù)算出來(lái)的值可選擇如圖5所示的推進(jìn)器，查得該推進(jìn)器的基本參數(shù)如下所示： 名稱：螺旋槳推進(jìn)器 最大推力：20kg 控制方式：遙控 動(dòng)力方式：電機(jī)推動(dòng)（蓄電池供電） 變速： 電子調(diào)速 電機(jī)電壓：24V 電機(jī)最大電流：60MA 推薦使用蓄電池：24v×60MAh 直徑：96mm 長(zhǎng)度：190mm

23、重量：4kg? 圖5動(dòng)力裝置裝置圖 八．硬件設(shè)計(jì) 八.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人機(jī)交互，且能夠靈活控制以及實(shí)時(shí)反饋圖像等，本設(shè)計(jì)主要采用了電源供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線傳輸模塊、開(kāi)關(guān)模塊、繼電器模塊、圖傳模塊等。 本設(shè)計(jì)選用 32 位微處理控制器 STM32F103C8T6作為主控芯片，其工作主頻為 72 MHz，STM32系列是基于 AＲM Cortex － M3 內(nèi)核的處理器，低功耗，處理速度快，能夠滿足雙電機(jī)快速差速運(yùn)動(dòng)的需要，并自帶高速的I 2C、SPI接口控制器，方便與各路傳感器模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，自帶的多路輸出PWM模塊便于電機(jī)的控制，自帶的

24、AD采集通道便于實(shí)現(xiàn)電壓值的采集，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的遙控調(diào)速。整個(gè)系統(tǒng)由電源管理模塊提供電力。 圖6　控制系統(tǒng)總體 八．2電源模塊 根據(jù)電源模塊主要是電壓為24V，用時(shí)10h，電流60MA, 計(jì)算電源容量的大?。? W=P.T=U.I.T=12v×60Mh×10=14400MAh 容量為15000MAh的鋰電池，配有三個(gè)穩(wěn)壓模塊分別輸出1.25~35V可調(diào)電壓，輸出3路不同電壓值進(jìn)行單片機(jī)、繼電器、圖傳模塊的驅(qū)動(dòng)。 八.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 24V 60MA大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊器，H橋全隔離，可滿PWM的模塊。 其功能特點(diǎn)有： （1）小尺寸，50mm×50mm×

25、12.5mm （2）多重保護(hù)，內(nèi)置過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)熱保護(hù)電路 （3）控制信號(hào)全隔離，充分兼容3-5V電壓輸入 （4）大功率，無(wú)需再加散熱處理，即可驅(qū)動(dòng)60MA電機(jī)負(fù)載 （5）高速PWM隔離輸入，最小脈沖寬度3us,隔離帶寬10MHz （6）支持滿占空比輸入，可脫離MCU，實(shí)現(xiàn)外部開(kāi)關(guān)直接控制，可串聯(lián)限位開(kāi)關(guān) （7）驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行電壓6.5-29V，支持7-24V電壓等級(jí)直流有刷電動(dòng)機(jī) ?(8)具有雙色轉(zhuǎn)向指示燈指示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。 采用完全隔離的方式控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該方式使用獨(dú)立的電源對(duì)MCU供電，通過(guò)光電隔離的形式輸入控制信號(hào)。 圖7　電機(jī)驅(qū)動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)：MCU與電機(jī)驅(qū)

26、動(dòng)完全電氣隔離，使MCU電磁兼容性能大大提高，其次還可保證控制電路的電氣安全，即使出現(xiàn)嚴(yán)重的短路過(guò)壓等情況，也不用擔(dān)心MCU被串入高壓而燒毀，同時(shí)具有良好的控制穩(wěn)定性。 電機(jī)采用ＰＷＭ調(diào)速，即改變直流電機(jī)電樞電壓的的占空比來(lái)改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。除了電機(jī)對(duì)應(yīng)的ＰＷＭ信號(hào)調(diào)速之外，該模塊還需要2路邏輯輸入控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，模塊連接如圖7所示。因此將PWM信號(hào)輸入端接入單片機(jī)定時(shí)器輸出，邏輯輸入端接單片機(jī)配置為輸出模式的ＩＯ口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該模塊的控制。 八．4無(wú)線傳輸模塊 如圖8，無(wú)線傳輸模塊通過(guò)串口進(jìn)行單片機(jī)之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)識(shí)別按鍵發(fā)送不同的字符

27、到串口，然后通過(guò)無(wú)線傳輸將字符代碼發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)接收到相應(yīng)的字符代碼后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 圖8　無(wú)線傳輸模塊圖解 八．5繼電器模塊 如圖9所示，本設(shè)計(jì)采用的繼電器為1路5V繼電器，低電平觸發(fā)，通過(guò)單片機(jī)控制繼電器模塊的啟停來(lái)控制滾刷電機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾輔助收集裝置的遠(yuǎn)程控制。 圖9　繼電器模塊圖解 八.6主程序設(shè)計(jì) 該小船軟件程序事是在MDK5開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用 C語(yǔ)言編寫(xiě)，其流程如下圖所示。上電后先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括時(shí)鐘配置、延時(shí)函數(shù)初始化以及調(diào)試程序時(shí)所需串口的初始化。然后進(jìn)行定時(shí)器的初始化，本系統(tǒng)中定時(shí)器用于ＰＷＭ信號(hào)的產(chǎn)生。

28、采用了兩個(gè)定時(shí)器的分別輸出兩路PWM波，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的控制。開(kāi)始時(shí)，上位機(jī)遙控端不斷的發(fā)送停止代碼，主機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)遙控端有按鍵按下，即發(fā)送對(duì)應(yīng)的代碼，主機(jī)接收后做出相應(yīng)的動(dòng)作。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。 圖10　軟件設(shè)計(jì)流程圖 九． 影像收集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 此款水面垃圾清理機(jī)器人需要人工遠(yuǎn)距離遙控，為了更準(zhǔn)確快速的定位到垃圾所在位置，設(shè)計(jì)安裝了如圖11所示的圖傳發(fā)射收集系統(tǒng)。采用AOMWAY 5.8g TX001圖傳發(fā)射器，具有重量輕、體積小、方便安裝等特點(diǎn)，具有5.8g 40個(gè)發(fā)射機(jī)頻道，支持6-28V電壓供電，利用手機(jī)進(jìn)行影像接收，圖像清晰準(zhǔn)確。 圖11　圖傳系統(tǒng) 十

29、． 工作參數(shù)，待機(jī)和工作時(shí)長(zhǎng) 該水面垃圾清理機(jī)器人采用24V、10000mA鋰電池供電，不僅節(jié)能減排，而且可長(zhǎng)時(shí)間工作，具體工作時(shí)間參數(shù)如下表： 表1 水面垃圾清理機(jī)器人工作時(shí)長(zhǎng) 時(shí)間參數(shù) 數(shù)值/分鐘 待機(jī)時(shí)長(zhǎng) 30240 連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng) 600 十一. 垃圾收集特性及參數(shù) 本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)狀式垃圾收集箱，方型結(jié)構(gòu)，總體尺寸為235mm*175mm*550mm。機(jī)器人工作時(shí)，可收集直徑最大為90mm的垃圾，一次性可收集最多0.02m3體積的垃圾。 垃圾收集的便利性 設(shè)計(jì)采用網(wǎng)狀式垃圾收集裝置，容量大可快速更換，可以在有效收集垃圾的前提下減小水流以及空氣的阻力，提

30、高工作效率。加上船體前端安裝有垃圾輔助收集裝置，當(dāng)船體向前行駛時(shí)，收集擋板會(huì)將分散的垃圾聚集于滾刷之下，從而方便滾刷旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)垃圾進(jìn)入后方收集箱內(nèi)，保證了垃圾收集的效率，以及收集的穩(wěn)定性。 垃圾收集箱以及垃圾輔助收集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作，且功能性強(qiáng)，利用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)便能實(shí)現(xiàn)理想的功能，很適合應(yīng)用推廣。 十二.外觀特性 水面垃圾清理機(jī)器人整體采用雙體船結(jié)構(gòu)，雙體船可以在承受較大風(fēng)浪的前提下仍能穩(wěn)定工作，且較大的寬度，使得各設(shè)備能夠合理有效的布置。船體前端和后端均采用流線型結(jié)構(gòu)，可以盡可能的減小水流阻力，減少能源的浪費(fèi)。 船體保護(hù)殼利用亞克力材料彎折成流線型，可以減小空氣、風(fēng)力帶來(lái)的阻

31、力，提高船體穩(wěn)定性。 十三. 控制方式 通過(guò)串口進(jìn)行單片機(jī)之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)識(shí)別按鍵發(fā)送不同的字符到串口，然后通過(guò)無(wú)線傳輸將字符代碼發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)接收到相應(yīng)的字符代碼后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，從而控制各模塊運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。 十四. 成本報(bào)告 1 成本概述 表2 總成本一覽 系統(tǒng) 材料 工序 緊固件 總成本 船體 ￥104.3 ￥7.52 ￥2.1 ￥113.92 垃圾收集系統(tǒng) ￥29.625 ￥3 ￥2.5 ￥25.125 控制系統(tǒng) ￥352.18 ￥0.5 ￥3.9 ￥356.18 動(dòng)力

32、系統(tǒng) ￥225.7 ￥1.1 ￥0.8 ￥227.6 圖傳系統(tǒng) ￥113.4 ￥1.1 ￥0.6 ￥115.1 整體造價(jià) ￥825.205 ￥13.22 ￥9.9 ￥848.325 2 船體部分 表3 船體部分成本一覽 零件 描述 單位價(jià)格 數(shù)量 材料成本 工序成本 緊固件成本 總成本 PVC方管 自制，切割 ￥41.5 0.88m ￥36.52 ￥0.02 ￥0.4 ￥36.94 3D打印船頭 自制，3D打印 ￥0.5 24m ￥12 ￥1.1 ￥0.4 ￥13.5 3D打印船尾

33、 自制，3D打印 ￥0.5 29m ￥14.5 ￥1.1 ￥0.4 ￥16 船體支撐架 自制， 方形不銹鋼管焊接 ￥16 0.94m ￥15.04 ￥2.3 ￥0.5 ￥17.84 控制盒固定梁 自制，國(guó)標(biāo)鋁材 角磨機(jī)切割 ￥5.9 1.06m ￥6.25 ￥0.2 無(wú) ￥6.45 船體擋水殼 自制，亞克力板激光切割 ￥25 0.8 ￥20 ￥2.8 ￥0.4 ￥23.2 合計(jì) ￥104.3 ￥7.52 ￥2.1 ￥113.92 3 垃圾收集系統(tǒng) 表4 垃圾收集系統(tǒng)成

34、本一覽 零件 描述 單位價(jià)格 數(shù)量 材料成本 工序成本 緊固件成本 總成本 垃圾收集箱 自制，裁剪，膠合 ￥5.5 0.96m2 ￥5.3 無(wú) ￥0.4 ￥5.7 滾筒 自制，廢舊玩具船再加工 ￥1 1 ￥1 無(wú) ￥0.6 ￥1.6 毛刷 自制，廢舊掃把再加工 ￥0.5 1 ￥1 無(wú) ￥0.5 ￥1.5 滾筒支架 自制， 3D打印加工 ￥0.5 15.8m ￥7.9 ￥1.3 ￥0.6 ￥9.8 滾筒支撐梁 自制，鋁材， 角磨機(jī)切割 ￥5.9 0.75m ￥4.425 ￥0.3

35、 0.4 ￥4.725 垃圾輔助收集板 自制，亞克力板激光切割 ￥25 0.2 ￥5 ￥0.6 無(wú) ￥5.6 角度調(diào)節(jié)器 自制，切割 ￥5 1 ￥5 ￥0.8 無(wú) ￥5.8 合計(jì) ￥29.625 ￥3 ￥2.5 ￥25.125 4 控制系統(tǒng) 表5 控制系統(tǒng)成本一覽 零件 描述 單位價(jià)格 數(shù)量 材料成本 工序成本 緊固件成本 總成本 主控制板 自制，錫焊焊接 ￥17.5 2 ￥35 ￥0.3 ￥0.4 ￥35.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 購(gòu)買(mǎi)件 ￥5.3 2 1

36、0.6 無(wú) ￥0.8 ￥11.4 杜邦線 購(gòu)買(mǎi)件 ￥0.1 29 ￥2.9 無(wú) 無(wú) ￥2.9 鋰電池 購(gòu)買(mǎi) ￥230 1 ￥230 無(wú) ￥1.4 ￥231.4 防水盒 自制，鉆孔 ￥34.8 1 ￥34.8 ￥0.2 1.3 ￥36.3 穩(wěn)壓模塊 購(gòu)買(mǎi) ￥7.5 3 ￥22 無(wú) 無(wú) ￥22 電源線 購(gòu)買(mǎi) ￥28 0.01 ￥0.28 無(wú) 無(wú) ￥0.28 電源開(kāi)關(guān) 購(gòu)買(mǎi) ￥1.2 2 ￥2.4 無(wú) 無(wú) ￥1.2 繼電器 購(gòu)買(mǎi) ￥2.7 1 ￥2.7

37、無(wú) 無(wú) ￥2.7 無(wú)線模塊 購(gòu)買(mǎi) ￥11.5 1對(duì) ￥11.5 無(wú) 無(wú) ￥11.5 合計(jì) ￥352.18 ￥0.5 ￥3.9 ￥356.18 5 動(dòng)力系統(tǒng) 表6 動(dòng)力系統(tǒng)成本一覽 零件 描述 單位價(jià)格 數(shù)量 材料成本 工序成本 緊固件成本 總成本 螺旋槳推進(jìn)器 購(gòu)買(mǎi) ￥223 1對(duì) ￥223 無(wú) ￥0.4 ￥223.4 螺旋槳固定架 自制，3D打印 ￥0.5 5.4m ￥2.7 ￥1.1 ￥0.4 ￥4.5 合計(jì) ￥225.7 ￥1.1 ￥0.8 ￥

38、227.6 6 圖傳系統(tǒng) 表7 圖傳系統(tǒng)成本一覽 零件 描述 單位價(jià)格 數(shù)量 材料成本 工序成本 緊固件成本 總成本 圖傳發(fā)射接收裝置 購(gòu)買(mǎi) ￥110 1 ￥110 無(wú) 無(wú) ￥110 攝像頭固定盒 自制，3D打印 ￥0.5 6.8m ￥3.4 ￥1.1 ￥0.6 ￥5.1 合計(jì) ￥113.4 ￥1.1 ￥0.6 ￥115.1 十五. 創(chuàng)新點(diǎn)說(shuō)明，及如何有效防水 首先船體防水是一個(gè)非常重要的工作，一旦大量的水進(jìn)入設(shè)計(jì)的機(jī)器中，會(huì)使機(jī)器下沉，吃水量變大。這是國(guó)內(nèi)小型機(jī)器的一個(gè)大難點(diǎn)，尤其是船體不是

39、封閉的金屬或者其他材料。很容易使水進(jìn)入其中。破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成嚴(yán)重后果。 我的設(shè)計(jì)思路是用發(fā)泡注入船體內(nèi)部，填充雙船體內(nèi)部空余部分，由于發(fā)泡的質(zhì)量很輕，水很難進(jìn)入其中，這樣無(wú)論船體向各個(gè)方向行進(jìn)，都不會(huì)使水進(jìn)入其中。在攝像頭附近有擋水板，這樣能有效防止?jié)L筒揚(yáng)起的水進(jìn)入機(jī)構(gòu)。 滾筒是一大創(chuàng)新點(diǎn)，它的作用有兩個(gè)。1是將較大垃圾掃入收集箱中，避免了垃圾擁堵在船體端的尷尬局面。2是能有效防止垃圾的流出。當(dāng)船體在后退時(shí)，由于水流的作用，垃圾很容易隨水流流出。由于滾筒在不停的旋轉(zhuǎn)，流出的垃圾在遇到滾筒時(shí)，會(huì)自動(dòng)被回收到收集箱中。 引導(dǎo)板能使機(jī)器船收集效率變?yōu)樵瓉?lái)的兩到三倍，不僅是

40、增大了前進(jìn)時(shí)的觸水面積，而且能引導(dǎo)水流，提高了收集效率。 十六. 市場(chǎng)分析 十六.1 市場(chǎng)推廣 該作品適用于景區(qū)小面積水域以及不適合現(xiàn)有大型垃圾收集船工作的水面（如小型水庫(kù)、港區(qū)等）垃圾清理問(wèn)題?？纱驌拼蟛糠炙嫫±鐦?shù)葉、包裝物等?；跓o(wú)線電遙控技術(shù)，操控簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性好，十分適用于公園或景區(qū)小面積水域內(nèi)水面垃圾的清理工作。使用時(shí)只需由工作人員在岸上進(jìn)行遙控，完成垃圾清理后再利用人工輔助回收即可，流動(dòng)使用，方便快捷。從環(huán)保設(shè)備的市場(chǎng)來(lái)看，使用遙控控制，針對(duì)小水域漂浮垃圾清理的相關(guān)設(shè)備還是空缺。 水面垃圾收集機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離的打撈模式，這種打撈模式隨著技術(shù)的不斷完善必將代替現(xiàn)

41、有的垃圾收集模式，還解決了現(xiàn)有的水上打撈設(shè)備正面臨著奇缺的尷尬現(xiàn)狀，具有巨大的市場(chǎng)潛力。隨著水上環(huán)境的治理問(wèn)題越發(fā)突出，對(duì)水上環(huán)境的治理力度必將不斷增強(qiáng)，水上垃圾收集機(jī)器人以其實(shí)用性高，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際地解決了垃圾收集的許多弊端，將有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 十六.2 盈利模式 此款水面垃圾清理機(jī)器人面臨的主要客戶將會(huì)是環(huán)保部門(mén)和景區(qū)管理部門(mén)，也可以直接為港口和水庫(kù)提供特性化的設(shè)備和技術(shù)支持?？舍槍?duì)不同的工作面積和垃圾量，根據(jù)客戶的要求定制不同尺寸的清理機(jī)器人，從而擴(kuò)大營(yíng)銷(xiāo)范圍，加大營(yíng)銷(xiāo)力度。 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)以上設(shè)計(jì)制作，證實(shí)了此款水面垃圾清理機(jī)器人是合理

42、可行的。采用穩(wěn)定的雙船體結(jié)構(gòu)，整個(gè)船體輕盈靈活，無(wú)需浪費(fèi)大量能源，且采用電力驅(qū)動(dòng)，節(jié)約環(huán)保。選用32位微處理控制器 STM32F103C8T6作為主控芯片，通過(guò)串口進(jìn)行單片機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。遠(yuǎn)程無(wú)線遙控控制，只需一位人員便可完成一系列工作，節(jié)約了勞動(dòng)力、提高了效率，且安裝有圖傳系統(tǒng)，保證了遠(yuǎn)距離情況下能夠精準(zhǔn)快速的將垃圾收集。通過(guò)這些特性可以看出，該機(jī)器人可以取代傳統(tǒng)的人工打撈，是一款適合小型水面垃圾清理的實(shí)用型機(jī)器人。 參考文獻(xiàn)： 1. 國(guó)際水中機(jī)器人比賽規(guī)則 2. 中國(guó)知網(wǎng)：遙控水面垃圾自動(dòng)清理船，丁麗佳，2009 3. 江達(dá)飛，毛玉清主編，景區(qū)水面垃圾清理船設(shè)計(jì)， 2016 4. 朱龍根主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，2006 5. 胡軍志，小型多用途打撈裝置的設(shè)計(jì)，2008 6. 唐術(shù)杰，王澤霖，遙控式水面垃圾自動(dòng)清理器，2015