面向个性化定制的水面垃圾清理船*

李东旭

赤峰工业职业技术学院 内蒙古赤峰 024000

1 设计背景

天然湖泊、水库、景区公园的人工湖,会积存垃圾,主要包括塑料袋、矿泉水瓶、枯叶等杂物。随着人们对生活环境要求越来越高,加之政府对水面环境监管力度越来越严,亟需研发一款智能化的水面垃圾清理船。现有的水面垃圾清理船主要为大型机械装置,大型清理船不适用于清理小型水面垃圾;而且现有清理船主要采用发动机驱动,消耗燃油,势必浪费能源,产生二次污染。综合分析,针对不同水面环境、不同垃圾类型,所需垃圾清理船的总体尺寸、功率大小、打捞结构各不相同。因此,亟待设计一种可根据水面垃圾清理需求,能实现个性化定制的水面垃圾清理船。

2 设计方案

2.1 整体结构设计

为了降低水流阻力,船体造型应用仿生学原理,采用泥塑方法设计船体外形,应用三维打印技术制造。该方法可缩短船体外形设计周期,提高研发效率,采用流线型能降低船体在水面运行的阻力,提高运行速度。扫描后的数据通过软件处理,可根据需要进行尺寸调整。由于水面环境差异较大,垃圾类别多种多样,为了实现节能环保,避免船体较大造成能源的不必要浪费,框架总体尺寸可以跟随需求设计,方便实现个性化定制。船体制作通过三维打印技术实现,选用生物可降解环保材料,主体质量轻、密封性好,可以实现个性化定制。

2.2 打捞收集结构设计

垃圾清理船的主要功能是对水面垃圾进行打捞收集处理,常见的水面垃圾主要包括浮萍、枯枝落叶、矿泉水瓶、塑料制品等垃圾。不同垃圾所用的打捞装置结构、尺寸、强度各有差异,垃圾质量、体积决定打捞装置结构的尺寸。根据调研,校园和小区人工湖水面垃圾以矿泉水瓶、塑料袋为主,材质轻,不需要剪切装置结构。针对河道、天然湖水面的水生植物垃圾,需要加装剪切装置。面向人工湖不考虑水底垃圾清理,如果对水底的垃圾有清理要求,可以加设垂钓打捞装置结构。垃圾打捞装置的结构采用Unigraphics三维造型软件进行设计,打捞装置结构强度高、收集垃圾容积大,采用网状结构可减小阻力。打捞收集装置结构基于模块化设计理念,可根据不同类型垃圾选择制作组装,实现个性化定制。

2.3 动力装置设计

水面垃圾清理船在行驶的过程中会受到阻力,因此动力装置的最大推力要满足船体行进要求。为了节能环保,该垃圾清理船采用锂离子电池作为电源,采用电机驱动。锂离子电池具有容量大、循环寿命长等优点,充电时间能够满足使用要求。直流电机使用方便、便于进行控制,因此采用这种动力设计方案。考虑到气动需要加装气泵等装置,为了简化船体结构、节省空间,同时提高控制精确性,该船体采用双螺旋桨推进系统。该结构控制灵活、制作简单,广泛应用于船体推进结构之中。实现转向功能前提下,综合降低成本、控制可靠等因素,可以选择性加装舵机实现转向功能。不采用舵机系统,螺旋桨分别安装在主体结构后部底端左右两侧,可以调节船体行进速度,通过控制左右电机转速,可以实现船体转向。

2.4 控制系统设计

为实现远程无线控制,自主设计制作控制系统。主要包括电源模块、无线通信模块、视频采集处理模块等。传统打捞船依靠人工识别垃圾,容易造成垃圾遗漏。为了实现打捞精准性,通过加装超声传感器来探测水面障碍物,判别垃圾是否清理干净。为了减轻工人劳动强度,提高作业安全性,实现智能化打捞,应用图像识别技术,通过加装摄像头进而精确清理水面垃圾。应用无线通信技术,加装移动供应商提供的手机通信卡和全球定位系统模块,实现船体控制系统与远程控制中心的通信。同时,为了使用方便,基于人工智能技术设计手机应用程序,实现垃圾清理智能化。主板采用Cortex-M3 处理器,使用C语言编程,控制系统自主设计、制作完成,节约成本,控制可靠。控制系统如图1所示。

图1 控制系统

3 垃圾清理船制作

3.1 参数计算

面向校园人工湖进行设计船体,湖面面积10 500 m2。垃圾主要为枯枝落叶、矿泉水瓶、塑料袋,垃圾质量轻、体积小,针对此环境设计对应船体参数。船体总体尺寸根据垃圾总体分布情况,合理规划打捞次数,根据单次清理垃圾质量、体积设计船体总体尺寸与收集结构尺寸,计算设定船体总体尺寸为长0.6 m、宽0.4 m、高0.3 m。抽样测量垃圾质量,结合船体净重,设定船体排水量为5 kg,最大吃水深度符合要求。

3.2 三维造型

根据参数,应用三维绘图软件设计船体总体结构和打捞装置,打捞装置结构造型如图2所示。

图2 打捞装置结构造型

根据单次打捞垃圾的质量、体积设计打捞装置结构尺寸,校核强度,并优化改进。通过造型软件设计打捞收集装置结构和其它结构,包括电控板固定结构、锂离子电池仓、螺旋桨固定结构及电机固定结构等。考虑船体在水面运行受到水面杂物冲击,船体结构要满足强度要求,同时连接处要设定圆角,避免应力集中引起开裂。船体采用系列化设计,可以缩短设计周期。

船体外形部分通过泥塑、扫描、数据处理的流程进行设计。

(1) 泥塑。为了降低阻力,利用泥塑进行外形设计,相比采用软件设计,该方法能更好设计复杂的船体仿生学造型,缩短设计周期。雕塑好模型后,放置阴凉干燥处晾干。

(2) 扫描。晾干后的模型喷涂显影剂,针对复杂无明显特征体的船头曲面,应适当选取标记点位置,贴好标记点后应用三维扫描仪进行扫描。

(3) 模型处理。通过杰魔软件,对扫描好的船体模型进行数据处理、去噪,生成船体三维模型。

3.3 打印组装

应用三维打印机打印船体部分。三维打印是中国智能制造2025要重点发展的技术项目,相比其它船体制造技术,三维打印技术不需要设计模具,打印成本低,非常适合个性化设计定制。三维打印技术现已能够完成金属零件的打印,制造的船体强度和性能足以满足船体要求,可根据个性化需要选择打印材料。船体打印完毕后,将船体的零件部分与电控部分进行组装。

3.4 试验

通过设计制作,经过实地测试,该水面垃圾清理船结构稳定、运行可靠,能够实现远程无线控制。通过传感器、摄像头,能够远程控制船体打捞湖心区域垃圾,实现清理自动化。使用锂离子电池,节能环保,待机和工作时间长,满足工作要求。综上所述,垃圾清理船的制作流程如图3所示。

图3 垃圾清理船制作流程

4 创新意义

这一垃圾清理船能够面向客户实现个性化定制,克服现有清理船尺寸大、型号单一的缺点。这一垃圾清理船采用三维打印技术,选择生物可降解材料打印制作,材料环保、结构稳定性高,船体强度高,使用寿命长。可以实现远程无线控制,方便工人在岸边或控制室进行作业,避免安全事故发生。通过传感器可以精准探测清理垃圾,通过视觉识别功能实现远程智能操作。采用蓄电池驱动,节能环保,工作时间长。外型简洁美观,有效减小船体在水面运行所受到的阻力,船体的材料成本和加工制作成本低廉。能针对特定垃圾选取打捞装置结构模块,收集垃圾快速高效。

5 应用前景

从市场来看,目前还没有能实现个性化定制的类似垃圾清理船,该垃圾清理船的设计可面向客户需求进行制作,可打捞大部分水面漂浮垃圾,远程控制、打捞精准。

应用态势分析法对这一垃圾清理船进行优势、劣势、机会、威胁分析,优势为创新个性化定制模式,智能化远程无线控制,弥补现有市场空白,劣势为前期知名度不高,前期资金投入大,机会为新型产品迅速占领市场,需求扩大,快速扩张,威胁为新型设备层出不穷,物价上涨,成本提高。可见,这一垃圾清理船的市场前景十分广阔。

6 结束语

笔者设计的水面垃圾清理船可以实现个性化设计制作,弥补了现在市场的空白,能实现垃圾清理远程控制,实用性好、成本低、安全可靠,可广泛应用于各种水面环境。水面越大,距离岸边越远,越不适合人工作业的水域,这一垃圾清理船的清理优势越显著,将有很大的发展潜力。