一种仿生海洋垃圾清道夫装置的研究

邹吉城，张丽娜，陈雨涵，费靓月，赵子丰，陆家宝，闫薪宇，崔　贺，张家骆，董绍富

一种仿生海洋垃圾清道夫装置的研究

邹吉城，张丽娜*，陈雨涵，费靓月，赵子丰，陆家宝，闫薪宇，崔贺，张家骆，董绍富

(沈阳工学院机械工程与自动化学院辽宁 抚顺 113122)

以海洋生物为仿生模型，结合CCD视觉系统、垃圾收集装置、垃圾粉碎压块装置和垃圾处理装置设计了一款海洋垃圾清道夫装置，可以自主完成海洋垃圾的清理、收集作业。该款海洋垃圾清道夫装置具备垃圾清理量大、功能丰富等特点，并且造价亲民，符合实际作业需求，如果大量投放市场，可以有效缓解海洋污染日益严重的问题。

生物仿生；CCD视觉系统；Arduino板控制；垃圾处理室

1　研究背景

保护海洋环境的意义重大，是人类实现可持续发展的基础，也是保障我国经济增长的关键因素。我国海洋经济的高速发展虽然极大地推动了我国经济的进步，但是海洋生态环境却越来越恶劣，其中海洋垃圾对环境造成破坏的问题显得尤为突出。传统的海洋清洁机器人多采用螺旋桨作为推进器，存在重量和体积大、可靠性差、作业效率低、反应不够灵敏、灵活性差、在运行中有较大的噪音和尾涡等诸多缺陷。鱿鱼类海洋生物的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点，目前任何装备传统操纵系统的潜航器都无法相比。仿生海洋机器人技术是基于仿生学原理，通过分析和研究鱿鱼类海洋生物的游动特征，利用电子设备、功能材料和机械结构来模仿鱿鱼类海洋生物的推进方式。仿生海洋机器人在水下救援、水下探测和军事等领域都得到了大规模应用，已经成为水下机器人的重要研究方向之一。

2　海洋垃圾清道夫的总体设计

海洋垃圾清道夫大体可以分为5个部分:底部缓冲系统、垃圾收集系统、障碍探测传感器、动力驱动系统、垃圾收集仓，各部分功能如下。

(1)考虑到海底地形的复杂性，海洋垃圾清道夫底部采用富有弹性的结构，当清道夫在水底受到阻力或扰动失衡时落地能得到缓冲，可更好适应海洋底部的复杂地形，提高清道夫工作的稳定性；底部结构的空余空间用于存放浮力材料，增加海洋垃圾清道夫整体的浮力，可以防止因本体过重引发的沉底现象；障碍探测传感器位于设备主体前下方，装备具有触觉功能的探测头，以防止主体与岩石或其他非漂浮物体相撞。

(2)海洋垃圾清道夫的整体外形设计为流线形，既有利于主体密封，也能减小海水的阻力；由于本体由驱动叶轮提供动力，可使漂浮污染物随水流由前方经本体中间空腔进入后方污物仓，完成污物收集作业。

(3)海洋垃圾清道夫使用CCD视觉系统，由两个电机分别控制CCD摄像头的两个独立转动自由度，使CCD 始终处于相对平稳的状态，根据CCD指示的水平角、俯仰角和轴向转角偏移量分别进行修正；同时由步进电机带动CCD实现水平面内转动，可以得到同一物体的两幅不同图象，由此来测量距离；根据探测到的信息推测出是否为漂浮物以及漂浮物的大小与距离，再由中央控制器作出是否收集的决定以及规划出收集的最佳路径。

(4)海洋垃圾清道夫的动力源为蓄电池，通过叶轮的转动来调整前进方向。

(5)垃圾收集仓用于暂时存放垃圾。

此外，海洋垃圾清理清道夫还具有以下功能：①电源测试功能，每隔一定时间对电源电压进行测试，若低于安全值，可以自动返回充电；②可以预先设定返回时间，在到达预定时间后，可自行返回；③具有自主学习功能，能够通过传感器探测到的环境信息，建立工作环境模型，当外部环境发生改变时，能够重新学习[1-3]。

3　海洋垃圾清理清道夫系统运作原理

工作人员通过操作一个大的封闭环系统完成海洋垃圾清道夫的作业。在这个封闭环系统中，中央控制系统是整个清道夫的神经中枢，负责协调整个海洋垃圾清道夫的运作；CCD摄像头将执行机构的执行结果通过视觉系统反馈至中央控制器，中央控制器再根据具体情况不断调整执行命令，使整个设备能够顺利工作，完成既定的任务。

4　系统结构

海洋垃圾清道夫系统硬件结构主要由两部分构成。

(1)中央控制系统由Arduino板控制。在海洋垃圾清道夫的电气控制系统中，通过Arduino板来控制整个系统及驱动单元、执行机构等。设备在作业中可通过Arduino板、障碍探测传感器、马达和其他的装置来感知环境。Arduino板上的微控制器可以通过Arduino编程语言编译成二进制文件，收录进微控制器，以此来执行设备的操作过程。

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(2)电气部分。主要由控制CCD摄像头两个转动自由度的电机，相关的驱动电路和控制电路单元组成。电机控制部分由单片机完成，视觉前置处理部分由FPGA完成；两个电机分别控制摄像头左右转动、轴向转动和水平面内转动。海洋垃圾清道夫在水平面内转动主要是为了能使摄像头跟踪目标物体，保证目标物体始终处于CCD的视野范围内。

5　海洋垃圾清道夫视觉系统

视觉系统是否稳定直接关系到接收跟踪目标的信息是否完整。由于海洋垃圾清道夫在海水中作业时易受到自然环境或人为因素干扰，导致主体发生颠簸、转动等情况，因此需要配置视觉伺服跟踪系统来解决这一问题。

计算机视觉研究相关的理论和技术是试图建立能够从图像或者多维数据中获取“信息”的人工智能系统，是指用摄影机和电脑代替人眼实现对目标的识别、跟踪和测量，并进一步做出图形处理，使之生成更适合人眼观察或传送给仪器检测的图像。设备在海底作业时，由于光线变化较大，会让摄像头的成像产生一定的误差。为了使误差降到最低，可以在CCD成像的基础上设计一种声纳接收装置，以便测出目标物的距离和大小，从而让中央控制系统能够更加清晰地判断出污染物的具体位置。

通过声纳系统还可以对污染物进行分类检测，通过深度学习算法和声学传感器，可以将垃圾与海洋动植物区分开来，再使用仿生鱿鱼爪的抓取器和抽吸设备收集检测到的垃圾，将其收集到垃圾收集仓[4-5]。

6　垃圾收集后的处理

海洋垃圾清道夫内部设有垃圾处理室，由外壁、底盘、底板和搅刀组成。在垃圾处理室底盘的侧壁上开有锥形的小孔，突起部分朝向处理室底盘的内表面，可以起到加速垃圾破碎的作用；处理室底盘的底部开有小孔，用来过滤处理后的垃圾；对于不可处理的垃圾则带回集中处理。垃圾处理室的一些关键部件要选择既耐腐蚀、不生锈，又有一定的硬度和刚度的材料，同时还要考虑其机械的工作效率和经济性。为增强垃圾处理室钢材的抗腐蚀能力，可以在钢材中加入Cr元素，能显著提高钢材的抗氧化作用并提高钢材的强度和耐磨性，从而能显著提高钢材的力学性能、物理性能、化学性能，处理室底板及搅刀的材料可选用1Cr13不锈钢[6]。

7　设计创新点

(1)海洋垃圾清道夫装置的结构参照鱿鱼类生物仿生模型设计，具有高速、高效、低污染、低成本等特点。

(2)清洁功能更实用，更有针对性。

(3)操作更加简单便捷。

(4)对整体部件的选材进行了优化，可抵抗深海水压，防止主体破碎。

(5)造价亲民，符合实际需求，适用于多数企业。

(6)解决了传统清洁器性能单一的问题。

8　总结

以鱿鱼类海洋生物为仿生模型，设计了一款海洋垃圾清道夫装置。该装置模仿鱿鱼的游动特性，可顺利实现垃圾的抓取、收集，并可在机器内部完成粉碎压块。试验证明，该装置坚固耐用、操作简单、功能多样、价格亲民、作业效率高，有广阔的市场应用前景。

[1] 陈金言,李俊杰,仝金涛,等.一种面向水下植被监测的仿生海龟设计[J].林业机械与木工设备,2022,50(3):52-55.

[2] 陈苏明,高正创,王若愚,等.基于图像识别的仿生机械臂研究[J].信息与电脑(理论版),2020,32(5):116-118.

[3] 陈良,赵舶彤.基于神经网络训练的仿生机械臂控制系统[J].科学技术创新,2019(23):82-83.

[4] 唐代飞.CCD图像传感器工艺控制监控单元的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2021.

[5] 张昕辰.一种深海探测仿生鱼机械结构:CN215826955 U[P].2022-02-15.

[6] 王雄鹰,王冬阳.一种全能小型一体式垃圾处理机: CN211345323U[P].2020-08-25.

Research on a bionic scavenger for marine garbage

ZHOU Jicheng, ZHANG Lina*, CHEN Yuhan, FEI Liangyue, ZHAO Zifeng, LU Jiabao, YAN Xinyu, CUI He, ZHANG Jialuo, DONG Shaofu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Shenyang Institute of technology, Fushun,Liaoning 113122, China)

A marine debris cleaning scavenger machine is designed, which can independently complete the cleaning and collection of marine debris. This device is based on marine organisms as a bionic model, combined with a CCD vision system, garbage collection device, garbage crushing and briquetting device, and garbage disposal device. This marine debris cleaning scavenger machine has the characteristics of a large amount of garbage cleaning and rich functions, which meets the actual operation needs and has a low cost. If the device is put on the market in large quantities, it can effectively alleviate the increasingly serious problem of marine pollution.

bionics; CCD vision system; Arduino board control; garbage disposal room

TB17

A

2096–8736(2022)03–0046–03

邹吉城（2000—），男，辽宁鞍山人，大学本科，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。

通信作者：张丽娜，女，辽宁沈阳人，副教授，主要研究方向为模具设计、材料表面工程。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：唐琦军