張芙蓉，湯澤軍

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

0 引言

現(xiàn)有的水面垃圾清理機(jī)制尚不成熟，以城市人工湖等靜態(tài)水域為例，大多數(shù)清理工作都是由人工作業(yè)完成，清潔工人一整天都要在河道內(nèi)清潔垃圾，不但浪費(fèi)大量人力、物力，也影響景點(diǎn)的美觀；后續(xù)出現(xiàn)的垃圾清理船，對于一些懸浮于水中的垃圾清理效果差，且對于垃圾的清理效率低。為解決上述問題，本文設(shè)計了一種針對靜態(tài)水域水面漂浮物的無人操作水面垃圾清理機(jī)器人。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

水面垃圾清理機(jī)器人系統(tǒng)由水面垃圾清理機(jī)器人和遠(yuǎn)程遙控平臺兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。水面垃圾清理機(jī)器人由傳感器模塊、電源模塊、水面垃圾清理機(jī)器人控制器模塊、執(zhí)行模塊以及通信遙控系統(tǒng)等組成。

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括攝像頭識別傳感器、超聲波距離傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、GPS定位傳感器、姿態(tài)檢測傳感器和垃圾箱滿傳感器等。傳感器模塊可實時獲取湖面垃圾視頻、障礙物距離，風(fēng)速和風(fēng)向等環(huán)境信息、機(jī)器人GPS位置和姿態(tài)、垃圾箱狀態(tài)等信息。

1.2 水面垃圾清理機(jī)器人控制器模塊

水面垃圾清理機(jī)器人控制器模塊采用AIstart人工智能主機(jī)，它包括一塊K210核心主控，集成了攝像頭、TF存儲卡、LCD顯示、左右聲道喇叭、耳機(jī)接口、USB Type-C、RGB全彩燈、多功能按鍵、GPIO拓展端口等資源。K210核心主控是基于雙核RISC-V 64位處理器，RISC-V是開源指令集架構(gòu)(ISA)，指令簡單且高效。邊緣計算的KPU進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速，官方Demo中提供了一些人臉檢測、圖像識別、圖像分類的視覺任務(wù)，分類任務(wù)的分類網(wǎng)絡(luò)推理速度最高可達(dá)到240 fps。檢測任務(wù)在QVGA的網(wǎng)絡(luò)下，模型幀率最高可達(dá)35 fps。乘法操作算力0.23TOPS，總算力1TOPS，芯片內(nèi)置多種硬件加速單元(如CNN，F(xiàn)FT，SHA256等)，及8 M超大高速SRAM，實現(xiàn)機(jī)器視覺算法；1TOPS算力，只有0.3 W的功耗?？赏ㄟ^傳感器模塊的輸入信息對水面漂浮物進(jìn)行識別，實現(xiàn)水面清理路線規(guī)劃，達(dá)到自動清理垃圾的目的。

1.3 電源模塊

電源模塊由充電電池和太陽能電板構(gòu)成。充電電池采用12 V、60 Ah的3串20并18650電池組，充電可通過岸邊市電適配器充電，電池電量信息能本地顯示。機(jī)器人水面工作時，可把電量信息無線傳送給遠(yuǎn)程遙控平臺；太陽能電板可對充電電池進(jìn)行充電，可提升系統(tǒng)的續(xù)航能力。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由螺旋槳左電機(jī)、螺旋槳右電機(jī)、垃圾收集傳送帶電機(jī)和驅(qū)動構(gòu)成。執(zhí)行模塊由水面垃圾清理機(jī)器人控制器模塊進(jìn)行控制，對螺旋槳左右電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，實現(xiàn)機(jī)器人在湖面的移動；對垃圾收集傳送帶電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，把水面垃圾經(jīng)垃圾收集傳送帶傳送到垃圾箱。

1.5 通信模塊

通信模塊通過Wi-Fi模塊實現(xiàn)水面垃圾清理機(jī)器人與遠(yuǎn)程遙控平臺通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻信息、狀態(tài)信息、遙控指令信息的傳輸。遠(yuǎn)程遙控平臺可控制機(jī)器人工作模式，獲取機(jī)器人攝像頭工作視頻、機(jī)器人狀態(tài)，遙控機(jī)器人進(jìn)行動作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

水面垃圾清理機(jī)器人采用流體型結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大降低航行阻力。前置超聲波傳感器和攝像頭，左右各放置超聲波傳感器，能識別垃圾目標(biāo)，測量障礙物距離，從而更適應(yīng)復(fù)雜水域環(huán)境。垃圾箱位置設(shè)計在船體中間，可有效防止船體側(cè)翻。輔助姿態(tài)傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器獲取機(jī)器人狀態(tài)，進(jìn)一步提高船體穩(wěn)定性。充電電池放置船體中后方，可提升船頭，壓低船尾，提升航速。左右螺旋槳推動設(shè)計，可縮小掉頭半徑，實現(xiàn)原地掉頭和倒退。結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖

水面垃圾清理機(jī)器人在進(jìn)行實船實驗或者執(zhí)行相應(yīng)作業(yè)任務(wù)時，通常會因風(fēng)浪流等外界因素影響而使船體產(chǎn)生橫滾、俯仰等姿態(tài)變化，因此會導(dǎo)致船載的測量平面與水平面不平行，從而給出錯誤的障礙物檢測信息，影響機(jī)器人安全航行，為此，搭載三軸重力加速度傳感器來測量船體姿態(tài)。

水面垃圾清理機(jī)器人艙體內(nèi)設(shè)置一個可拆卸垃圾收集箱，便于人工更換裝滿垃圾的垃圾收集箱，減少更換時間。垃圾收集箱內(nèi)表面光潔，上邊緣為圓角，便于垃圾清理。水面垃圾清理機(jī)器人前方兩側(cè)都設(shè)置有傾斜的過濾網(wǎng)，將垃圾向機(jī)器人前方中心匯聚。

機(jī)器人前方設(shè)置一個傾斜的輸送帶機(jī)構(gòu)，用于將機(jī)器人前方中心匯聚的垃圾輸送至垃圾收集箱，垃圾箱滿傳感器可獲取箱滿信息。輸送帶機(jī)構(gòu)由鋁型材架、減速電機(jī)、同步帶、同步輪、上下端帶軸承的滾筒、平皮帶組成。輸送帶機(jī)構(gòu)中，充電電池驅(qū)動減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，減速電機(jī)通過帶傳動的方式帶動皮帶轉(zhuǎn)動，將垃圾輸送至垃圾收集箱。減速電機(jī)采用間斷式運(yùn)轉(zhuǎn)的方式工作，節(jié)省電能。

水面垃圾清理機(jī)器人主要依靠垃圾收集傳送電機(jī)提供動力帶動垃圾流入垃圾清理箱內(nèi)，以達(dá)到清理垃圾的作用。垃圾流入后通過過濾網(wǎng)過濾，自動流入垃圾收集箱，實現(xiàn)快速清理。在完成垃圾清理過程中，可對垃圾箱狀態(tài)進(jìn)行檢測，通過在箱體上方艙體側(cè)面設(shè)置光電式傳感器，用于感應(yīng)垃圾收集箱是否裝滿，可實時將該信號發(fā)送到清潔人員的操作終端。

由于水面工作機(jī)器人在水面作業(yè)時，頻繁充電影響工作效率，考慮到水面一般能接收到太陽光，因此選用太陽能作為輔助驅(qū)動能源。考慮到水面受力情況，選用螺旋槳推進(jìn)器，推進(jìn)器由減速電機(jī)加上槳葉組成，固定設(shè)置在機(jī)器人的下方。工作狀態(tài)下的螺旋槳推進(jìn)器位于水下，螺旋槳擊打水體產(chǎn)生推力，從而實現(xiàn)機(jī)器人船體的移動。

3 軟件設(shè)計

水面垃圾清理機(jī)器人可通過遠(yuǎn)程遙控平臺設(shè)置工作模式，包括遠(yuǎn)程遙控工作模式和自動巡航清理模式(見圖3)。遠(yuǎn)程遙控工作模式：清潔人員可遙控水面垃圾清理機(jī)器人至垃圾場并進(jìn)行清理。自動巡航清理工作模式：可在沒有人工控制的情況下，通過 GPS 位置傳感器模塊、姿態(tài)傳感器、前置超聲波傳感器、左置超聲波傳感器、右置超聲波傳感器和前置攝像，自動規(guī)劃清理路線完成自動巡航清理；垃圾收集箱滿后，水面垃圾清理機(jī)器人可自動回到返航記錄點(diǎn)，此種模式垃圾收集效率更高，大大減輕了清潔人員處理垃圾的工作量。

圖3 水面垃圾清理機(jī)器人工作流程圖

3.1 遠(yuǎn)程遙控工作模式

清潔人員手持遠(yuǎn)程遙控平臺，通過平臺上的安卓app遠(yuǎn)程設(shè)置水面垃圾清理機(jī)器人為遠(yuǎn)程遙控工作模式，這時遠(yuǎn)程遙控平臺可接收并顯示水面垃圾清理機(jī)器人遠(yuǎn)程傳來的視頻信息和狀態(tài)信息，清潔人員可根據(jù)視頻內(nèi)容和狀態(tài)信息，發(fā)出相應(yīng)的遙控指令給水面垃圾清理機(jī)器人，水面垃圾清理機(jī)器人接收遙控指令，并根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)動作。

3.2 自動巡航清理工作模式

在自動巡航清理工作模式下，遠(yuǎn)程遙控平臺也可獲取水面垃圾清理機(jī)器人遠(yuǎn)程傳來的視頻信息和狀態(tài)信息。當(dāng)接收到的遠(yuǎn)程信息顯示異常，表明出現(xiàn)特殊情況，清潔人員可以立即修改機(jī)器人的工作模式，解除自動巡航模式，改為遠(yuǎn)程遙控模式。

自動巡航清理工作模式先要判斷當(dāng)前環(huán)境是否滿足自動巡航前提條件，風(fēng)速過大，水面垃圾清理機(jī)器人的姿態(tài)不正確(比如船體傾斜幅度過大)，GPS位置沒在指定水域，軟件跳過自動巡航。滿足自動巡航前提條件后，視覺處理攝像頭識別垃圾目標(biāo)：垃圾箱未滿，水面垃圾清理機(jī)器人會規(guī)劃清理垃圾路線，開動垃圾收集傳送帶，巡航清理垃圾；垃圾箱滿后，水面垃圾清理機(jī)器人會停止垃圾收集傳送帶，規(guī)劃返航路線，并返航提醒清潔人員清倒垃圾箱。

垃圾目標(biāo)識別算法通過TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架，用MX-YOLOv3進(jìn)行垃圾目標(biāo)識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，接著轉(zhuǎn)換成可被K210 硬件平臺識別的Kmodel格式的推理模型文件，然后使用Mixly圖形化開發(fā)環(huán)境下的Python語言設(shè)計實現(xiàn)推理模型KPU加載和KPU圖像數(shù)據(jù)處理，最后AIstart人工智能主機(jī)結(jié)果輸出。水面垃圾識別通過圖像傳感器獲取水面圖片，然后結(jié)合垃圾識別算法，判斷是否為垃圾，由位移傳感器獲取垃圾位置信息，計算目標(biāo)垃圾所處位置坐標(biāo)，并啟動機(jī)器人駛?cè)肽繕?biāo)垃圾所在位置，實施清理。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)水面漂浮垃圾的高效清理，本文基于水面垃圾清理機(jī)器人和遠(yuǎn)程遙控平臺兩部分實現(xiàn)了水面垃圾清理機(jī)器人系統(tǒng)，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控模式和自動巡航清理模式2種工作模式。針對自動巡航模式，設(shè)計了垃圾目標(biāo)識別算法，該算法能實現(xiàn)對常見垃圾目標(biāo)的識別，將水面漂浮垃圾與水面景觀、漂浮植物、水岸等成功分離開來。經(jīng)測試，本文設(shè)計的水面垃圾清理機(jī)器人，能完成人工湖等靜態(tài)水域水面漂浮垃圾的清理，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。