面向城市內(nèi)河水面漂浮物清理的無人船系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要 ：目前，城市內(nèi)河水面極易被生活垃圾和落葉等漂浮物所覆蓋，人工打撈費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且難以滿足河道清理的需求。隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，具備打撈功能的無人船成為了代替人力的有效手段。為此，本文從解決實(shí)際問題的角度出發(fā)，解釋了一種自動化效率高的無人船的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用 GPS 導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制和航跡控制等技術(shù)，為城市水面的環(huán)境治理提供一種新型的裝備。

　　張馨雨; 那睿奇; 黃寧遠(yuǎn); 王亞煒， 電子測試 發(fā)表時(shí)間：2021-09-05

　　關(guān)鍵詞 : 城市內(nèi)河 ;漂浮物清理 ;無人船 ;自主航線

　　0 引言

　　目前，城市內(nèi)河河道垃圾泛濫的問題日益嚴(yán)重，由于城市內(nèi)河河道往往位于居民區(qū)附近，居民區(qū)的生活垃圾、水邊的旅游垃圾和建筑垃圾等極易進(jìn)入河道，并漂浮在河面上，影響市容的同時(shí)也給城市排水系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，因此清理城市內(nèi)河水面漂浮物成為城市環(huán)境治理的一個(gè)重要環(huán)節(jié) [1]。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出比較先進(jìn)的水面垃圾清理裝置，但是其設(shè)備大多針對海洋垃圾和大型湖泊垃圾，而由于城市內(nèi)河與海洋、湖泊之間的差異，在進(jìn)行城市內(nèi)河水面漂浮物清理時(shí)，設(shè)備需要更加注意噪聲和污染問題，因此這些設(shè)備對城市河道的實(shí)用價(jià)值較小 [2]?，F(xiàn)如今，對于城市內(nèi)河河道等小面積水域，水面漂浮物的清理多采用人工打撈，清理效率低的同時(shí)，人工成本也較高。

　　而隨著近年來移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人船作為一種智能化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的水面工具也開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。無人船可以配合水面漂浮物清理裝置，利用 GPS 導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制和航跡控制等技術(shù)，為城市水面的環(huán)境治理提供一種新型的裝備 [3]。使用無人船清理城市內(nèi)河水面漂浮物，既能滿足清理需求，又節(jié)省了人工成本，還提高了清理效率。

　　雖然如今市面上已經(jīng)擁有了云洲系列 [4] 和歐卡系列 [5]等小型智能無人清理船，但其垃圾清理裝置和功能等還較為單一，以此該領(lǐng)域還有較大的研究前景。

　　1 無人船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1 無人船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該無人船的結(jié)構(gòu)部分主要由船體、漂浮物清理系統(tǒng)、航跡控制機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，如圖所示為無人船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

　　船體主要由兩側(cè)船身以及將兩側(cè)船身連接起來的鋁架構(gòu)成。船型上選擇雙體船設(shè)計(jì)，不僅有效地增加了上層建筑層次，給控制系統(tǒng)以及垃圾傳輸清理機(jī)構(gòu)留下更多的空間，還明顯地降低了興波阻力，減少了船波 [6]。因此，該無人船能有效減少無人船在內(nèi)河進(jìn)行清潔工作時(shí)船波對內(nèi)河兩岸的沖擊與噪聲。

　　同時(shí)在制造樣機(jī)時(shí)，我們使用泡沫材質(zhì)制造船體，由于泡沫本身密度較小，浮力較大，在降低成本的同時(shí)我們還能有效增加樣機(jī)的浮力。在船體后方架設(shè)有平臺，能夠放置單片機(jī)、控制系統(tǒng)的各種模塊、攝像頭以及電池等設(shè)備，能夠有效利用船體面積。

　　1.2 無人船漂浮物清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　無人船漂浮物清理系統(tǒng)主要由垃圾收集箱，輸送裝置和輔助收集裝置組成。圖 2 為漂浮物清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

　　該漂浮物清理系統(tǒng)的收集方式為傳送帶式收集。如圖輸送帶斜插人水中適當(dāng)深度，系統(tǒng)前部配合著小型的引導(dǎo)板和網(wǎng)狀的阻擋板，能夠在輸送帶前端聚集起漂浮物。同時(shí)輸送帶電機(jī)帶動輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著無人船的移動，傳送帶將前端聚集的水面垃圾傳送到后方的垃圾收集箱內(nèi)，收集漂浮物的效率相對較高，同時(shí)成本較為低廉。輸送帶兩端支座和輸送帶兩側(cè)可以通過螺紋配合調(diào)節(jié)輸送帶的角度，在不同條件下的水域，可以通過調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)裝置，改變傳送帶的傳送角度及入水深度，方便在各種河道水域下執(zhí)行清理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更好的清理效果。

　　輔助收集方面，雙體船兩側(cè)還安裝有壓力水槍，能夠在垃圾聚集時(shí)，使漂浮物分散便于收集。船體兩側(cè)還會添加有小型引導(dǎo)板，將水面漂浮的垃圾更好的通過傳送帶運(yùn)送到垃圾收集箱內(nèi)。細(xì)節(jié)方面，輸送皮帶和收集箱里都留有滲水孔，帶上的擋板也采用鏤空設(shè)計(jì)，能有效減少傳送帶傳送垃圾時(shí)水面的阻力，同時(shí)還能瀝干水分減輕傳送帶壓力和船體的重量，垃圾收集箱位于船尾，底部安裝有滾輪，近岸時(shí)能輕松完成搬運(yùn)工作。

　　1.3 無人船航跡控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖 3 為該無人船航跡控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

　　該無人清理船使用電力驅(qū)動，水下的推進(jìn)器主要由防水電機(jī)和螺旋槳葉組成，防水電機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，推動無人船前進(jìn)。通過舵機(jī)來控制推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)，改變無人船推進(jìn)的矢量方向，從而控制其行駛方向，以此實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動控制。

　　2 無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以 STM32F409 作為主控板，通過電力驅(qū)動，并配合多種模塊，實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動控制。同時(shí)利用基于 LabVIEW 開發(fā)的上位機(jī)軟件，來實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理，并對無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。借助服務(wù)器，該系統(tǒng)以 GPRS 遠(yuǎn)程通信為傳播媒介，能夠完成上下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，圖 4 所示為該無人船控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖 [7]。

　　無人船控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)組成。其中上位機(jī)系統(tǒng)主要包括上位機(jī)軟件和電腦 PC 端，下位機(jī)系統(tǒng)主要包括主控制板、驅(qū)動模塊、GPS 與無線通信模塊和超聲模塊。通過上位機(jī)與下位機(jī)的配合，無人船能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能 ：

　　(1)遠(yuǎn)程通信功能 : 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和船載下位機(jī)系統(tǒng)的無線通信 ;(2)航跡規(guī)劃功能 : 實(shí)現(xiàn)對無人船船體運(yùn)動進(jìn)行自主控制，自動規(guī)劃航跡 ;(3)自主避障功能 ：利用傳感器信息，實(shí)現(xiàn)自主避障 ;(4)人機(jī)交互功能 : 向無人船發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)操作人員對無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程操作 ;(5)監(jiān)測顯示功能 : 能夠?qū)o人船船體位置和速度信息進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測并將軌跡圖和航行狀態(tài)在上位機(jī)軟件中顯示。

　　2.2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2.1 下位機(jī)控制核心設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)船載系統(tǒng)以 STM32F409 開發(fā)板為核心，GPS 與無線通信模塊、超聲模塊以及驅(qū)動模塊通過串口與主控板進(jìn)行通信，船載下位機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖 5。

　　船載下位機(jī)系統(tǒng)中需要主控制板對各模塊進(jìn)行控制，并對各個(gè)模塊不斷進(jìn)行讀取，同時(shí)需要不斷與超聲波模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并持續(xù)通過 GPS 與無線通信模塊和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)通過串口收集原始 GPS 數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，處理后的數(shù)據(jù)通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)發(fā)出控制命令后，下位機(jī)計(jì)算出無人船的偏角，并通過控制推進(jìn)器電機(jī)和舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度來實(shí)現(xiàn)無人船運(yùn)動控制功能，下位機(jī)控制程序流程圖如圖 6 所示。

　　2.2.2 超聲波避障設(shè)計(jì)

　　無人船在進(jìn)行自主航行時(shí)，為避免河道中障礙物影響無人清理船的正常工作，我們通過進(jìn)行超聲波避障設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)無人船的自主避障功能。

　　該自主避障設(shè)計(jì)的原理是在無人船在行駛的過程中，利用位于船體前端的超聲模塊，循環(huán)測量與前方障礙物的距離。如果檢測到與障礙物之間的距離小于一定的值，則單片機(jī)對主控制板中初始自動控制程序進(jìn)行中斷，開始運(yùn)行避障程序，避開障礙物后，又重新進(jìn)入自動控制的程序，并按照初始自動控制程序繼續(xù)行駛 [8]。

　　因?yàn)闊o人船在自主航行時(shí)遇到障礙物前優(yōu)先于執(zhí)行避障程序，所以超聲模塊需要使用較高的優(yōu)先級中斷中斷 0。數(shù)據(jù)初始化后，通過檢測串口 0 是否接收到來自單片機(jī)的超聲數(shù)據(jù)來進(jìn)行判斷，并根據(jù)是否收到避障信號并做出不同的處理。若收到避障信號則進(jìn)行對舵機(jī)和推進(jìn)器的控制，否則執(zhí)行串口 1 的判斷，根據(jù)發(fā)送的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集或無人船的控制。下圖為主控制板避障程序設(shè)計(jì)流程圖。

　　2.2.3 運(yùn)動控制

　　為實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動控制，下位機(jī)需要與上位機(jī)進(jìn)行連接，上下位機(jī)連接后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送規(guī)劃航跡的目標(biāo)點(diǎn) GPS 數(shù)據(jù)，船載控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，開始驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，并定時(shí)通過無線通信模塊使用 AT 指令獲取當(dāng)前的 GPS 數(shù)據(jù)信息，通過分割字符串的方法得到當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、速度和航向角，然后定時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離以及當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的連線與正北方向的夾角。根據(jù)船的航向角和所求的偏角可以計(jì)算驅(qū)動機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中螺旋槳電機(jī)矢量推進(jìn)時(shí)所需轉(zhuǎn)過的角度。

　　當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)位置的距離和無人船偏角計(jì)算公式如下 ：