智能型水面垃圾清理器控制系统的研究与实现

李思雨，吴艳娟，王 帆，胡远杰

（天津理工大学 电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

智能型水面垃圾清理器控制系统的研究与实现

李思雨，吴艳娟，王 帆，胡远杰

（天津理工大学 电气电子工程学院 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

该文设计了一种无人驾驶智能型水面垃圾清理器控制系统。以STC89C52单片机作为硬件平台，结合PID算法对清理器进行控制，保障了清理器的平稳运行。该系统结合WiFi无线控制、视频实时传输和红外自动避障等技术，与传统人力驾驶的水面清理器相比较，实现了无人驾驶的智能化控制。最后通过仿真验证和设计样机的实际测试，证明了该设备的高效性。

控制系统；水面垃圾清理；PID；单片机；WiFi

河流、湖泊水面上的大量漂浮垃圾，势必影响河流、湖泊的水质。水面垃圾的清理成为重要的环境治理问题，直接关系着整个生态系统，需寻找有效的垃圾清理方法。目前，水面垃圾的清理仍多采用人工驾驶船只打捞的办法，这种传统的打捞方式存在着人力、物力浪费大的弊端，并且无法解决狭小、多弯水域的垃圾清理问题。为此，有必要设计节能环保、能够适应各种水域、行动灵活的智能型垃圾清理器。

随着自动控制技术的发展与应用[1]，在国外已经出现多种水面垃圾清理装置。例如，美国联合国际船舶公司研制的系列清扫船采用双体船型，配备2套Z型推进装置。该船线型简单，主要用于清理水面垃圾。其主要作业机具包括导流门、船首传送带、垃圾箱、船尾传送带。我国研制的垃圾清理装置，如天津新港船厂建造的水上清扫船“方通号”，2001年11月21日在天津海河下水。该船具有高效、节能、环保等特点，以电为动力，进行电动全回转推进，对水体没有污染且行动比较灵活。然而，上述垃圾清理装置存在船体的体积较大、排水量大、船上有人驾驶、噪声较大、且价格比较昂贵等缺点，不适用于小面积水域的垃圾清理。

针对以上问题，本文提出了水面垃圾清理器系统，以改进大型垃圾清理装置的不足。

1 系统整体设计

水面垃圾清理器系统采用STC89C52单片机作为控制器，通过WiFi无线控制[3]，由手机端软件控制水面垃圾的清理，具有视频实时传输、显示和自动避障[4]等功能，无需人力驾驶。清理器的动力采用环保的锂电池，通过直流电机带动螺旋桨使清理器运动。电机的控制采用PID算法控制。

该系统由上位机和下位机组成。其中，下位机由STC89C52单片机、WiFi模块、高清摄像头、舵机云台、红外避障模块、直流电机、直流电机驱动、垃圾打捞装置等模块构成；上位机编写Android应用程序，用于控制清理器运动及实时显示水面情况。清理器控制结构如图1所示。

图1 水面垃圾清理器系统结构Fig.1 Surface garbage collector system structure

该系统的设计特点：①清理器的控制系统具有高效的运行效率，采用WiFi无线控制，能够实时显示水面情况；②具有良好的灵活性，行驶过程稳定，清理垃圾十分高效，能够自动躲避水面上的障碍物，防止碰撞；③具有良好的可扩展性，为日后系统升级提供便利。

2 硬件系统设计

2.1 WiFi模块与摄像头

WiFi模块选取TP-LINK WR703N路由器进行改装，刷入OpenwWrt固件，安装摄像头驱动，Ser2net串口转发软件、mjpg-streamer视频解析软件并设置为随机启动。该WiFi模块作为信号的接收和发送中心，利用上位机把特定的数据包发送到路由器，路由器的串口为TTL线接口，将路由器的TTL线接到单片机上对应的串口上，就可以实现上位机与单片机的串行通信。USB摄像头与WiFi模块相连，通过手机连接WiFi，手机端上位机界面就能够实时显示水面的情况[5]。

2.2 舵机云台

为了使摄像头呈现的视野更开阔，在其下增加舵机云台。由于舵机工作时电流较大，在与单片机连接时需加舵机驱动板，舵机云台的控制信号由上位机发送指令，通过WiFi模块与单片机建立联系，通过控制单片机输出PWM信号变化来控制舵机的角度变化。

2.3 红外避障模块

为了使清理器能够自动避开水面上障碍物，装配了红外避障传感器。采用集发射与接收于一体的光电传感器，发射管发射一定频率的红外信号，当检测到障碍物时，反射的红外信号被接收管接收，通过接口将信号输入单片机，由单片机控制电机运动，进行自动避障。检测距离根据需要可以进行调节，具有探测距离远、受可见光干扰小等优点。红外传感器原理图如图2所示。

图2 红外传感器原理Fig.2 Infrared sensor principle

2.4 电机及其驱动模块

直流电机的驱动方式采用脉冲宽度调制PWM。电机驱动芯片采用L298N，通过单片机PWM调速，L298N可以驱动两组直流电机，其单组驱动电流可达2 A。电机的转动通过上位机发送指令，通过WiFi将指令传送至单片机，从而控制电机的正反转。电机转动的稳定运行采用PID算法进行调节[5]，使垃圾清理器能够平稳的工作。在发出清理器启动运行的指令后，逐步加大PWM信号的输出，直至电机速度达到给定速度。停止时也运用同样的方法，逐步减小PWM信号的输出直至电机停止。清理器在前进时M1和M2同时正转，后退时M1和M2同时反转，左右转向时M1，M2一个正转、一个反转通过2电机转速差进行转向。电机运动状态如表1所示，输入PWM信号改变脉宽可调速。

表1 电机运动状态Tab.1 Motor motion state

2.5 系统电路原理

系统电路原理如图3所示。由上位机连接到WiFi模块，向WiFi模块发送控制指令。WiFi模块接收到数据后通过内部的串口发送软件，将接收到的指令通过串口发送到STC89C52单片机的串口端，单片机接收到上位机发出的指令后执行相应的操作，如垃圾的清理、清理器的运动、舵机的转动等。摄像头将采集的水面图像通过WiFi模块发送到上位机，并在上位机软件上显示摄像头采集到的图像信息。

图3 系统电路原理Fig.3 System circuit principle

3 设计实现

3.1 电机运动的PID控制

PID控制器由比例单元P，积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

模拟PID控制器的控制规律为

式中：r（t）为给定量；y（t）为实际输出值；e（t）为控制偏差；u（t）为被控对象的输入；KP为比例系数；TI为积分常数；TD为微分常数；u0为控制常量。

在数字PID控制算法中，由于增量式PID控制算法具有计算量小等优点，在实际中得到广泛应用，增量式PID控制算法公式为

式中：ek为第k次采样时刻输入的偏差值；ek-1为第k-1次采样时刻输入的偏差值；ek-2为第k-2次采样时刻输入的偏差值；uk为第k次采样时刻的输出值；uk-1为第k-1次采样时刻的输出值；Δuk为控制量的增量；T为采样周期。

本设计中电机驱动模块采取PID速度闭环控制，结构示意如图4所示。

图4 电机控制示意Fig.4 Motor control schematic

在运动过程中通过切割旋转编码器产生脉冲信号，得出电机运行速度，与给定速度相比较，取3次速度偏差值；经PID控制器处理，得到处理后的速度修正量；将采集到的脉冲信号经单片机处理，输出PWM脉冲，保持电机稳定的运行。其控制流程如图5所示。

图5 PID控制流程Fig.5 Flow chart of PID control

3.2 清理器系统程序流程

清理器控制程序采用C语言程序编写，通过WiFi模块和单片机将红外避障模块、舵机云台、电源、电机以及垃圾清理装置连接成一个系统，由上位机软件控制清理器的工作。当上位机发送指令后，指令经WiFi模块传入单片机，单片机串口接受指令后，判断接收的指令，按照预先设定的程序实现指令的功能。系统的程序流程如图6所示。

图6 系统程序流程Fig.6 System program flow chart

3.3 实验结果

在Matlab仿真系统中，采用PID控制算法对电机运动进行仿真[6]。经过大量试验，取得KP=10，KI=10，KD=15[8]。通过WiFi控制电机运动时，电机启动时的单位阶跃响应曲线如图7所示。由图可见，采用增量式PID控制构成的闭环系统，超调量减少、响应速度加快、稳定时间短，可以大大提高清理器电机的响应速度与稳定性。试验中通过WiFi控制清理器的运动时，在上位机发出的指令，清理器的各个部分都能准确地执行相应的操作。上位机控制清理器的界面如图8所示，试验制作的清理器实物如图9所示。

图7 电机的阶跃响应Fig.7 Step response of motor

图8 上位机控制界面Fig.8 PC control interface

图9 清理器实物Fig.9 Collector physical figure

4 结语

本文设计的智能化水面垃圾清理器，实现了视频采集与传输、速度稳定控制以及自动躲避障碍物等功能。运用本系统设计制作的水面垃圾清理器样机，WiFi信号被手机连接，上位机发出控制指令，清理器准确无误地作出相应的动作，能够将垃圾从水面打捞起来并储存，达到设计的预期功能。目前，遥控半径为20 m左右，若更换性能更加优质的天线，有效控制范围更大。对于景区等小面积水面的垃圾清理工作，在很大程度上提高了漂浮垃圾收集的效率和垃圾收集的范围，减少工作人员的工作强度，具有较高的应用前景。

[1] 康宇，刘国平.自动控制技术应用研究进展（专辑序言）[J].系统科学与数学，2014，34（12）：1419-1420.

[2] 彭攀来，马娅婕，刘智旸.基于Arduino的移动机器人控制系统设计[J].自动化与仪表，2016，31（3）：1-4，16.

[3] 沈显庆，张炜玮，常佳龙.Linux和Android手机终端的WiFi视频监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2014，14（11）：28-31.[4] 赵津，朱三超.基于Arduino单片机的智能避障小车设计[J].自动化与仪表，2013，28（5）：1-4.

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[7] 吴全玉，张晓东，昆晓琪，等.基于经典PID算法的智能车系统研究[J].自动化与仪器仪表，2011，31（1）：25-27.

[8] 蒋存波，张淑祯，覃彦芝.一种单参数PID控制算法参数整定方法研究[J].自动化与仪表，2010，25（7）：32-36.

Research and Implementation of Intelligent Surface Garbage Collector Control System

LI Si-yu，WU Yan-juan，WANG Fan，HU Yuan-jie
（Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Applications in Complicated System，School of Electrical and Electronic Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

An intelligent water surface garbage cleaning controller system is designed.The STC89C52 microcontroller is selected as the system hardware platform.By using PID algorithm to control the collector could ensure the smooth operation of the collector.The system combines new technologists such as WiFi wireless control，real-time video transmission and an automatic obstacle-avoidance function.Compared with the traditional human-driven surface cleaner，it realizes intelligent control of unmanned driving.Finally，the actual test of the prototype is verified by simulation，and the efficiency of this device is proved.

control system；surface garbage collector；PID；micro controller；WiFi

TP368.1

B

1001-9944（2017）11-0045-04

10.19557/j.cnki.1001-9944.2017.11.011

2017-04-20；

2017-08-16

天津理工大学大学生创新创业训练计划资助项目（201610060142）

李思雨（1996—），男，在读本科生，研究方向为运动控制；吴艳娟（1973—），女，博士，硕士生导师，研究方向智能控制、运动控制等。