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1、多功能水面垃圾清理船控制系统的设计摘要：水面垃圾清理一直以来都是水域治理的主要关注点，本项目以多功能无人船作为主要研究对象，在船上搭载系列设备，替代人工，对水体中的废物进行打捞、垃圾处理；同时可以对水域进行定点、定位的水质检测，以及水体油污的回收工作。多功能水面垃圾清理船控制系统共包含八个模块，分别是系统充放电、电量显示、遥控系统、电机过载保护、水质检测系统、无线图传、雷达防撞系统、视频传输系统模块。具有续航能力高、船舱空间大、机动性强、船体硬度大、无人驾驶巡航、图像实时传输且具有防水功能等特点。无人船的使用减少了人力成本，而船的价格相对便宜，适宜大范围推广，可以广泛地投入使用，同时减少专项人
2、才短缺问题。关键词：水域治理；智能控制；无人船；水质监测引言随着社会经济发展、人民生活水平的提高，物质极大丰富，但同时也产生了大量的生活和工业垃圾，人们处理垃圾的方式还不够科学，因此导致大量的环境污染问题，特别是水体的污染。水域治理中的垃圾清理受限于人力，资金等问题导致大量垃圾不能得到及时的处理，同时由于专业人员短缺，一些水域的水质检测也不能及时的大范围进行，对于人们的健康造成很大影响。多功能水上垃圾清理船，以无人船作为主要研究对象，在船上搭载系列设备替代人工，对水体中的废物进行打捞、垃圾处理；同时可以对水域进行定点、定位的水质检测，以及水体油污的回收工作。无人船的使用减少了人力成本，而船的价
3、格相对便宜，适宜大范围推广，可以广泛地投入使用，同时减少专项人才短缺问题。1系统的主体结构多功能水面垃圾清理船控制系统共包含以下八个模块，分别是系统充放电、电量显示、遥控系统、电机过载保护、水质检测系统、无线图传、雷达防撞系统视频传输系统模块。系统充放电模块主要实现系统的充电功能；电量显示模块可以实时显示电量状态；遥控系统是系统的核心控制部分，可以控制船体完成各项操作。电机过载保护模块主要实现对船体和相关操作装置电机的保护功能。水质检测模块可以实时采集水域水体，对水域水质进行检测。无线图传模块可以将水质数据进行回传上位机可以实时接收信息，能第一时间掌握水质情况。雷达防撞系统主要可以实现船体避障
4、功能，能很好的实现无人驾驶。视频传输模块可以对船体周围水域现状进行实时监测，让操控者可以了解船体周边水域现状，便于清理操作。2系统控制部分详细设计2.1 蓄电池充放电模块蓄电池充放电模块：采用XH-M604数控充电模块，可对蓄电池进行充电放电保护。设置好电压后，主板通过继电器控制充电器其中一根导线达到控制充电器输出通断的作用。例如给12V电瓶充电，充电电压范围为10.814.4V。设置启动电压为10.8V（因为电瓶正常放电后电压会低于12V，10.8V为电瓶放电后需要充电的电压参考值。）停止电压设置为14.4V。当检测到电瓶的电压超过了14.4V，继电器会切断充电器充电，无需手拔充电器，自动断
5、电，不仅节能而且可以延长电瓶的使用寿命，防止过冲。2.2 蓄电池电量显示模块蓄电池电量显示模块，通过连接蓄电池电压电量表得到电压电量。2.3 遥控系统遥控系统主要包括遥控器、电调、接收器。通过摇控螺旋桨的直流电机以达到船的前进和转向。遥控垃圾收集器的步进电机达到垃圾收集功能。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。系统通过控制步进电机实现垃圾收集和清理功能。2.4 电机过载保护当电机过热或者电流超过额定值时，热继电器及时切断电源，可自动和手动复位。2.5 水质
6、监测系统水质监测系统由单片机通过TDS传感器、PH传感器进行AD采集参数，并转换为TDS值、PH值，无线传输给计算机。其中TDS传感器，用于测量水的TDS值,TDS数值可反应水的洁净程度，可应用于生活用水、水培等领域的水质检测。PH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器，通常由化学部分和信号传输部分构成。PH传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。PH传感器，可以对大型反应槽或制程管路中pH值测定，可用于多种场合的PH值测量。2.6 无线图传模块无线传模块采用2.4G无线收发芯片、半双工工作，模块可以实现信息接收和信息发送，最少使用两个模块实现点对点的无线数据
7、通讯。模块SPI接口方便连接各种单片机10端口，工作状态和方式受单片机控制，透传距离达1000m，可实现单片机和计算机远程传输数据。2.7 雷达防撞系统雷达防撞系统主要由单片机、HC-SR04超声波测距模块和计算机组成，利用超声波测量船体与水面的障碍物的距离，实时传输给计算机。HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。2.8 视频传输系统视频传输系统主要由树莓派、树莓派广角摄像头以及计算机组成，树莓派经过图像处理将视频实时传输给计算机，以达到远程遥控船体以及辅助垃圾收集的功能。3. 系统机械构造船
8、体设计过程中的主要考虑以下几个方面：1、船体需要大的载重，采用钢化碳纤维或镁铝合金制作船身。2、船体可能需要更换池塘或湖泊海洋，附加各项功能后船体要尽量便于运输。3、船体上设计装载垃圾拾取装置、油污回收装置、水质采集装置等。设计垃圾清理机构搭建船上，水质采集不同深度不同位置并标记，加GPS及避障装置配合大功率图传装置。4. 船上电子设备做好防水等防护措施。5. 动力方面，采用大功率步进电机实现。结论本设计完成了多功能水面垃圾清理船的设计，文章系统的介绍了无人船的电控部分设计以及机械构造部分设计。多功能水面垃圾清理船以无人船作为主要研究对象，通过船载设备，替代人工，实现水面垃圾清理、油品收集、水
9、质检测等功能。具备了结构简单、快速、灵敏、自动化、实用性好和成本低廉的特点，能很好的运用在人们的生活、生产中同时也可以解决相关领域专项人才短缺问题，具有较高的社会价值。参考文献徐启明,杨晨,林超伦,刘潇元,焦亚鑫.一种微型水面垃圾清理机器人的设计J.电子世界,2020(14):50-51.1 张国洲，朱晨炜，卢加津,高海宁，刘东.一种水面垃圾清理机器人J.兵工自动化,2020,39(03):90-92+96.2 张凯淇.一种节能环保型水面垃圾清理船设计J.现代制造技术与装备，2020(03):15-17.3 陈玲，高洁.一种新型水面垃圾清理分拣船的设计J.船舶工程，2020，42(02):39-43.项目支持：2019年国家级大学生创新创业训练计划项目“多功能垃圾清理船”，编号2019GJ003
