智能水面垃圾清洁机器人

耿若楠 陈沛 李志文 程继航 卞宇宸

随着社会的快速发展，人们的生活质量不断提高，制造的生活垃圾也越来越多。由于环保意识的缺乏，很多生活垃圾直接或者间接被弃入江、河、湖泊之中，致使江、河、湖泊的水面上经常漂浮大量生活垃圾，部分区域如航运河道、发电站前池水污染特别严重，这些垃圾如果不及时清理，将会影响航道运行、发电机组正常运转。另一方面，由于生活污水和工业废水大量排放，河水严重营养富集，导致水面出现了大量的浮游藻类，如不及时清理，将严重打破区域生态平衡。为了清理这些水面漂浮垃圾，环保部门每年都要投入大量的人力、财力和物力，定时进行人工打捞。现有的人工打捞工具均为捞勺、捞网或简单小型的打捞设备，致使人工打捞劳动强度大，工作效率低，缺乏灵活性，清理效果也不是很理想。例如在清理河、湖水面的草生植物或是清理较大体积的垃圾时，会采用机械清理的方式，但几乎都是采用较大型机械，不仅浪费能源，而且还会产生二次污染，难以普及使用。水是生命不可或缺的自然資源，治理水污染势在必行，因此设计一款清理人流较大的河流和湖上等一切有水域的地方的垃圾，实用性很强的水面垃圾清洁机器人是社会的需要。

（一）国、内外研究现状和发展动态

目前，国内外对水面垃圾的清洁主要采用人工打捞和机械打捞两种方式。人工打捞利用半舱式或甲板机动驳船，由环卫工人手持网兜站在甲板边上直接把垃圾捞上来，这种作业方式劳动强度大、工作环境恶劣、人身安全没有保障，不仅清理难度大、综合成本高，而且无法治理在大雨台风季节暴发的水葫芦等海域污染。而机械打捞装置具有间断性、笨拙性、耗时性等明显缺点，并且会造成严重污染，无法适应小型河流、湖泊等水面垃圾清理的需要。

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。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，而且智能化程度低，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。国外虽然在大规模清理垃圾，但只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，表明了水面垃圾清理方式的机械化智能化是符合人们需求并且可以大力研发的。

随着水体污染严重以及水面漂浮物增加，我国根据近几年水面垃圾的治理经验，在各方面都进行了努力，因而水上垃圾清理机的设计工作有了可观的发展。目前国内的还主要以不定期的手工打捞为主，机械打捞应用并不普遍。因此水面垃圾清洁机器要获得广泛的应用和全面取代手工打捞，必需自主创新，设计出符合我国国情的水上垃圾清理机器。

（二）研究内容

（1）本项目旨在设计一个在人流较大的河流上等一切有水域的地方自动搜寻垃圾并收集起来的清洁类机器人。分为人为操控模式和自主操作模式。①人为操控模式下：系统通过WiFi网络技术，实现手机与单片机的信号互联，通过手机APP发出指令，对系统进行远程控制，完成水面垃圾的清理工作。②自主操作模式下：可根据红外线探测发现垃圾的位置，自主前往垃圾附近进行垃圾拾取工作。此产品还可利用太阳能光伏发电技术提供电能，确保作业期间电能能够得到保障。

（2）设计红外感应装置寻找阻碍物位置，根据接收到的垃圾的波长从而与机器人数据库进行对比，如果符合数据库中的条件便迅速移动到垃圾的位置，数据库中的垃圾信息是由人工整理后储存在机器人中的。然后在距离垃圾10厘米以内，自动触发机械臂启动开关，在20N的力的作用下抓取，若某些极特殊的垃圾经数次抓取依然失败（在这里我们设置最大抓取次数为3次），即向控制端返回抓取信号，通过人工处理的方式来清理垃圾。

（3）开发手机APP，通过WIFI传送信号对垃圾清理系统进行控制。该模块可将船体的工作状态和垃圾收集情况以报告形式发送给手机APP，实现实时监測和远程控制。在这里手机相当于电脑PC端，指令的发送则是通过一个PHP网页，这个网页是在路由器上面的，也可以通过电脑以及路由器窗口创设一个网页链接，也能够从电脑上显示出来。

（4）当箱内物品重量达到一定重量或者一定体积时返回指定点进行垃圾倾倒。进行垃圾倾倒的条件有两个：1.达到一定重量即倾倒，在垃圾存储箱内部设置有重量感应器，一旦达到所能承受的最大重量标准，便实施垃圾倾倒动作。2.达到一定体积便停止收集，在垃圾存储设备中画一条阈值线，从而能够进行存储体积与其对比。需要注意的是有时候重量没有达标，但是体积已经不够了，那么也需要倾倒，所以上述两个条件之间的关系是相或的，只要满足其中一个条件，机器人就返回进行垃圾处理。

（5）机器人具有定区域巡逻能力，对它进行的操作指令是在一定的区域内完成的，并且动力驱动系统能够满足其变速运动，在这里主要是能够采取两种速度：一是作业速度，即工作时速度，作业速度尽可能与垃圾密度相匹配。二是返回速度，这里主要用于垃圾达到阈值后去倾倒垃圾的速度，由于这时已经没有作业，所以速度可以快一些，这样可以提高作业效率。

（6）为了确保机器人能够在作业区域平稳运行，或者在有风情况下作业，选择的材料应该选取密度稍微大一点，同时机器人外观设置为中空流线型，这样子一部分风可以从中间通过，一部分被流线型设计所抵消，剩下的阻力在材料所能够承受的范围之内。需要注意的是机器应该满足大多数情况下都能作业，所以设置标准也就是承受风力等级在4-5级。

该项目由大学生创新创业训练计划项目资金支持：项目编号：2019XB059