智能保洁水面机器人的研制

丁治洁

摘  要：国内水生态环境的现状不容乐观，河流、河道、湖泊、水库、景观水域和海域漂浮物污染十分严重，目前基本上都是靠人工打捞作业，效率低下，安全没有保障。本项目研制的水面清洁机器人是国内首艘能在B级航区自主作业的智能装备，已经在黄浦江正式上岗作业。文章分析了该水面机器人的基本原理、结构和关键，为国内外同行提供了该技术领域的技术发展思路和经验。

关键词：智能保洁;水面机器人;研制

中图分类号：TP242         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0031-02

Abstract： The present situation of domestic water ecological environment is not optimistic. the pollution of rivers， lakes， reservoirs， landscape waters and floating objects in sea areas is very serious. At present， it is basically rely on manual salvage operations， low efficiency and no guarantee of safety. The water surface cleaning robot developed in this project is the first intelligent equipment which can operate independently in the B-class navigation area in China. it has been officially put into operation in Huangpu River. In this paper， the basic principle， structure and key of the water surface robot are analyzed， and the technical development ideas and experiences in the technical field are provided for the counterparts at home and abroad.

Keywords： intelligent cleaning; water surface robot; development

黄浦江、苏州河（简称一江一河）是上海市两张靓丽的名片和标志性空间，更是上海落实十九大精神和上海2035的重要载体。同时上海发达的水系也带来了管理上的巨大压力，特别是水面垃圾的清理工作量巨大，同时也影响了上海大都市的形象。上海水域环境发展有限公司担负着上海核心景观水域的保洁服务、船舶废弃物和生活污水收集及水域环境专业污染防治的重任，水域保洁区域覆盖上海的“一江一河”。目前在一江一河的清洁工作主要由垃圾清理船和人工来完成，但是对于狭窄的河道和河道夹档却难以清理，只能用人工和简易的打捞工具来完成，费时费力，同时又影响上海的形象，如图1所示：

综上所述，开发一种自动化程度高、可以远程通讯和控制、适应上海一江一河水面垃圾特点的水面机器人是非常有必要的。

1 国内外研究现状

国内外在水面垃圾清理方面也有少数自动清理无人船（清洁机器人），但是船体小、垃圾收集量小、垃圾不能太大、续航时间有限[1，2]。美国巴尔的摩港（Baltimore Harbor）的垃圾轮先生（Mr. Trash Wheel）是一种固定式的自动清洁装置，清洁垃圾的效率高[3]。然而上述产品都存在着一定的缺陷，国内的垃圾清理无人船太小，只能清理小体积较轻的漂浮物;动力不足，一次清理的时间和垃圾量都很有限;特别是智能化程度低，基本上都是基于嵌入式系统，没有通用计算机平台，无法运行人工智能和复杂智能感知系统，例如没有用于复杂障碍探测和识别的激光雷达或者图像识别系统，无法在复杂河道中自主巡航和避障，因此只能算是初级无人船。国外的虽然可大规模清理垃圾，但是在特定的地点固定清理垃圾。2018年11月份，由上海城投环境下属上海水域环境发展公司和中国科学院合肥智能机械研究所联合研制的国内首艘智能保洁水面机器人在黄浦江正式运行作业，与40米水面保洁船构成子母船保洁系统，用于保障进博会期间上海市黄浦江的水面保洁任务[4]。

2 智能保洁水面机器人总体设计

智能保洁水面机器人为航行于内河B级航区（黄浦江水域）的智能装置，主要清理水面垃圾并统一回收垃圾，水面机器人参数：

总长：7.00m，总宽：2.30m，型深：0.88m，设计吃水：0.50m（排水量4.8吨），发电机功率：30kW，锂电池组标称电量：29000Wh（29度电），经济航速：1-1.5m/s，最大航速：3.0m/s左右，航区：B级。

关键功能指标：

（1）能自动识别巡航路线上的障碍物并自主规划路

径;

（2）具备自主巡航功能，能自主优化和决策巡航路径;

（3）具备自主巡航、远程驾驶和遥控三种操作模式;

（4）具备4G多卡多模通信，主控计算机和嵌入式控制板双模控制。

3 软硬件设计

水面机器人分别采用遥控、网络远程控制和自主巡航三种模式，其中网络采用4G多卡多模通信模块，船载电脑和主板分别采用独立的网络通信协议，实现双通信冗余备份，船载电脑和主板都可以独立进行自主巡航，确保系统的可靠性。采用基于高精度北斗地图的全局路径优化和三维动态地形匹配的局部路径追踪无人驾驶算法，具备在狭窄河道自主巡航功能，解决无人驾驶技术中复杂水域和狭窄河道地形精准匹配和动态避障问题;船载高清摄像系统实时监测水面漂浮物，通过图像识别算法对漂浮物进行识别和分类，解决水面复杂背景下的图像识别和机器学习算法问题。如图2所示：

4 性能测试与验证

我们对自主避障和巡航进行了实地试验：

（1）自主避障试验

测试方法：分别用黄浦江上的浮标和大船进行测试，首先测试目标的识别，即使较小的浮标也能准确的识别，其次是距离的探测，在100米内都能显示在船载电脑上，浮标的探测距离为60米左右，避障的阈值为40米，通过测试，均能探测和避开障碍，对于大船和岸边避障效果也非常有效，如图3所示。

（2）自主巡航试验

测试方法：在智能终端上操作自主巡航，在地图上确定巡航的点，地图上将自动显示巡航路径，水面机器人开始巡航，并把实际路径显示在地图上，通过实际路线和理论路径间的偏差，在地图上计算偏差，通过计算，在水流稳定的情况下，误差在0.5米之內，蓝色标记为拟巡航点，红色标记为水面机器人实时位置，如图4所示。

5 结论

综合以上实地试验结果，智能水面机器人通过云终端模式实现智能通信，提高了数据的传输效率及可靠性，采用神经网络等人工智能算法，高效的解决了水面漂浮物识别和分类，利用激光雷达采集的环境数据，应用基于高精度北斗地图的全局路径优化和三维动态地形匹配的局部路径追踪无人驾驶算法，实现了实时的无人遥控及动态避障。

参考文献：

[1]蔡孟凯，黄淑新，贺诗，等.城市小型湖泊水面智能清洁装置设计[J].机电工程技术，2018（2）：49-53.

[2]孙强，王莎莎，荆世翔，等.基于光伏发电技术的水上清理机器人动力系统设计[J].科技与创新，2018（14）：122-123.

[3]陈华勇，方鼎，洪锟，等.水上垃圾清理机器人[J].兵工自动化，2018（11）：89-92.

[4]占金锋.40m双体全自动水上垃圾清扫船的研制[J].江苏船舶，2018（3）：1-3.