“海上鲨鱼” 一种基于沿岸海域的垃圾收集装置

李文翘　郭红莲　陈增爽　李乐　牛定超 李虎霖

摘要：“海上鲨鱼”垃圾收集装置是基于双体船结构进行设计的。一方面，该装置两边夹层结构均采用玻璃钢复合材料，其相互固定为装置提供了所需的浮力。通过船体的安装孔，将收集筐通过轴、齿轮以及电机进行联接;另一方面，通过自主设计的电机驱动电路、信号采集电路、电源电路系统，将GPS 信号、电池电压检测数据采集等数据实时采集。“海上鲨鱼”的处理器选用MC56F8367，并采用OV6620数字摄像头作为沿岸海域垃圾信息的数据采集模块。以上两部分配合电机的转动实现收集筐的正反向翻转和漂浮物的倾倒，从而实现收集漂浮物的功能。本文设计的系统包含了四个方面创新。首先，通过连杆、轴、齿轮与电机相联接，为收集筐的翻转提供转动副和动力，利用超声波传感技术实现对垃圾的收集。其次，通过发散检测和单向检测的方法对垃圾图像进行处理。再次，设计制作了GPS 信号、电池电压检测电路，对相关数据进行采集。最后，通过构建神经网络、遗传算法对沿岸海域路径进行识别和船体速度进行控制等。

关键词：双体船结构;垃圾收集装置;机械;沿岸海域

1.“海上鲨鱼”系统概述

随着沿岸海域的工农业迅猛发展以及滨海旅游业的兴起，沿岸海域环境中越来越多的垃圾对环境和生物资源造成不同程度损害，成为海洋環境中主要污染现象之一。沿岸海域的垃圾主要为漂浮垃圾、人类活动产生的海洋垃圾数量惊人，沿岸海域的垃圾对海洋景观造成了严重污染，影响海洋生态系统的健康，还可能威胁航行安全，进而对海洋经济产生负面效应。如果不采取有效措施，海洋生态环境将无法负荷，人类也将深受其害。部分海洋垃圾长期浸泡后会释放药物残留及化学物质，直接或间接对人类身体健康造成损害。另外，大量海洋垃圾散落在旅游度假区海滩，影响景区美观，从而影响海洋旅游业的发展。

除了垃圾之外，海洋经济的发展必然带动航运业的飞速发展，船舶不断增加，超大型油轮和更多新型的液化气船也会越来越多，沿海各种小型船舶种类也数不胜数，会面临着运营船舶违章排放、维修保养中的残油和洗舱水的排放、油品驳运泄漏、船舶事故性溢油等污染新的难题。

若不及时进行处理上述情况，势必影响自然景观和近岸海域生态环境。针对以上问题，项目组成员从实际出发，基于双体船结构并结合软硬件，通过船体类型、收集方式、动力部分结合数据采集模块、输出控制模块、数据上传模块沿岸海域垃圾的清理和传输的功能，来达到对“海上鲨鱼”的智能控制，使之简单轻便，美观大方，增大承载容积和载荷能力的同时，降低本身重量，提高使用寿命，减少噪声，更加人性化、自动化，更加方便人们的使用和适应时代的发展，对营造绿色的生存环境有着重要的意义与积极的作用。

2.系统机械部分设计

2.1“海上鲨鱼”结构方案拟定

“海上鲨鱼”根据鲨鱼的外形仿制而来，为了保证其在沿岸海域的平衡性、稳定性，双体船工作更加可靠，运行稳定，同时收集装置更易于安装。故船体结构采用双体船的结构，将垃圾收集装置安装在双体船两片体之间，收集舱置于双体船两片体中。“海上鲨鱼”船体以及两边夹层结构均采用玻璃钢复合材料，其可以减少部件、连接件和紧固件的数量，以及生产步骤。通过降低重心，可以显著减轻质量，提高稳定性。玻璃纤维增强塑料夹层结构一般是由高强度的上下面板和轻质芯材组成的一组结构材料

“海上鲨鱼”船体夹层结构，主要承受横向载荷，即要求夹层结构的面板有足够的抗弯刚度与弯曲强度，芯层有足够的横向抗剪能力。面板采用玻璃钢，芯层部分采用蜂窝结构、泡沫、轻木等。夹层结构之所以不同于层合结构，主要在于通过低密度的芯层材料，使上下面板远离中性面，提高面板抗弯特性，在总质量微小增加的情况下，大幅度提高整体抗弯能力。

2.2收集装置安装位置及方式方案

“海上鲨鱼”的垃圾收集装置采用的是中置式收集装置，将收集筐安装在“海上鲨鱼”船体中间位置，为装置提供了良好的安装环境，装置安装便捷，拆卸方便，同时双体船结构也使得收集工作更加稳定。

“海上鲨鱼”的收集方式为铲斗式，采用电机驱动，沿岸海域的漂浮垃圾都可以用该装置收集，适用范围广，也比较适合连续作业。

“海上鲨鱼”的动力部分为整个装置提供能源，选用的动力装置有蓄电池，蓄电池的优点是低噪音，无污染，不会对水面造成污染，影响水质及水生生物。市面上常有的蓄电池主要分为三类，分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种。经过比较，选择免维护蓄电池，由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。

针对“海上鲨鱼”船体类型、收集方式、动力部分三个部分的方案拟定，“海上鲨鱼”设计经过三维建模装配，最终设计方案如图2-4 所示。“海上鲨鱼”船体以及两边夹层结构均采用玻璃钢复合材料相互固定，形成稳定的双体船结构。“海上鲨鱼”的垃圾收集装置采用的是中置式收集装置，将收集筐安装在“海上鲨鱼”船体中间位置，借助船体的安装孔，收集筐通过轴、齿轮以及电机联接，安装于船体中间位置。通过电机的转动带动收集筐的正反向翻转和漂浮物的倾倒，实现收集漂浮物的功能，满足了拆装方便与连续作业等设计需求。

采用iTop4412 核心板正好可以满足“海上鲨鱼”控制系统的需求，iTop4412 核心板引出了大多数处理器PIN 脚资源，可以满足“海上鲨鱼”控制系统开发需求。驱动模块主要是对叶轮，转动电机的驱动电路设计;主控电路包括串口通信电路设计、USB 接口电路、以太网电路、以及留有对应于核心板的接口，以便核心板连接到主控电路板上。电池电压在本系统中需要时刻进行监控，当发现电路低于一定值时，以便回收“海上鲨鱼”。

2.3系统电源电路设计

整个“海上鲨鱼”系统的供电由大容量的锂电池供电。“海上鲨鱼”系统稳定可靠的运行需要可靠的电源，iTop4412 核心板使用了三星的电源管理芯片S5M8767A，电源芯片S5M8767 的输入电压范围是 3.5v-5.5v，但是它的最佳输入电压是3.7V-4.2V，平均在4V左右，此时电源管理芯片S5M8767A 处于最佳工作状态，“海上鲨鱼”系统中需要为S5M8767A 提供4V 电源电压供电，同时它能够提供9 路不同的电压的DC/DC 输出、28 路LDO 不同电压不同驱动能力的电源输出。此外，“海上鲨鱼”系统中舵机需要5V 供电，GPS 模块需要3.3V 供电，USB 接口需要5V 供电等。“海上鲨鱼”系统中采用的是大容量锂电池提供12V 的电压为系统供电，因此需要设计电源电路为各个模块供电。

参考文献

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