面向城市內河水面漂浮物清理的無人船系統設計

　　摘要 ：目前，城市內河水面極易被生活垃圾和落葉等漂浮物所覆蓋，人工打撈費時費力，且難以滿足河道清理的需求。隨著無人駕駛技術的發展，具備打撈功能的無人船成為了代替人力的有效手段。為此，本文從解決實際問題的角度出發，解釋了一種自動化效率高的無人船的系統設計，利用 GPS 導航、互聯網遠程控制和航跡控制等技術，為城市水面的環境治理提供一種新型的裝備。

　　張馨雨; 那睿奇; 黃寧遠; 王亞煒， 電子測試 發表時間：2021-09-05

　　關鍵詞 : 城市內河 ;漂浮物清理 ;無人船 ;自主航線

　　0 引言

　　目前，城市內河河道垃圾泛濫的問題日益嚴重，由于城市內河河道往往位于居民區附近，居民區的生活垃圾、水邊的旅游垃圾和建筑垃圾等極易進入河道，并漂浮在河面上，影響市容的同時也給城市排水系統帶來了挑戰，因此清理城市內河水面漂浮物成為城市環境治理的一個重要環節 [1]。雖然國內外已經開發出比較先進的水面垃圾清理裝置，但是其設備大多針對海洋垃圾和大型湖泊垃圾，而由于城市內河與海洋、湖泊之間的差異，在進行城市內河水面漂浮物清理時，設備需要更加注意噪聲和污染問題，因此這些設備對城市河道的實用價值較小 [2]。現如今，對于城市內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，人工成本也較高。

　　而隨著近年來移動物聯網技術、大數據技術的飛速發展，無人船作為一種智能化、自動化、網絡化的水面工具也開始廣泛應用于各個領域。無人船可以配合水面漂浮物清理裝置，利用 GPS 導航、互聯網遠程控制和航跡控制等技術，為城市水面的環境治理提供一種新型的裝備 [3]。使用無人船清理城市內河水面漂浮物，既能滿足清理需求，又節省了人工成本，還提高了清理效率。

　　雖然如今市面上已經擁有了云洲系列 [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，以此該領域還有較大的研究前景。

　　1 無人船結構設計

　　1.1 無人船船體結構設計

　　該無人船的結構部分主要由船體、漂浮物清理系統、航跡控制機構和控制系統組成，如圖所示為無人船結構設計圖。

　　船體主要由兩側船身以及將兩側船身連接起來的鋁架構成。船型上選擇雙體船設計，不僅有效地增加了上層建筑層次，給控制系統以及垃圾傳輸清理機構留下更多的空間，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河進行清潔工作時船波對內河兩岸的沖擊與噪聲。

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

　　1.2 無人船漂浮物清理系統結構設計

　　無人船漂浮物清理系統主要由垃圾收集箱，輸送裝置和輔助收集裝置組成。圖 2 為漂浮物清理系統結構設計圖。

　　該漂浮物清理系統的收集方式為傳送帶式收集。如圖輸送帶斜插人水中適當深度，系統前部配合著小型的引導板和網狀的阻擋板，能夠在輸送帶前端聚集起漂浮物。同時輸送帶電機帶動輸送帶運轉，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，收集漂浮物的效率相對較高，同時成本較為低廉。輸送帶兩端支座和輸送帶兩側可以通過螺紋配合調節輸送帶的角度，在不同條件下的水域，可以通過調節角度調節裝置，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行清理任務，實現更好的清理效果。

　　輔助收集方面，雙體船兩側還安裝有壓力水槍，能夠在垃圾聚集時，使漂浮物分散便于收集。船體兩側還會添加有小型引導板，將水面漂浮的垃圾更好的通過傳送帶運送到垃圾收集箱內。細節方面，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計，能有效減少傳送帶傳送垃圾時水面的阻力，同時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，近岸時能輕松完成搬運工作。

　　1.3 無人船航跡控制機構結構設計

　　圖 3 為該無人船航跡控制機構結構設計圖。

　　該無人清理船使用電力驅動，水下的推進器主要由防水電機和螺旋槳葉組成，防水電機帶動螺旋槳旋轉，推動無人船前進。通過舵機來控制推進器的偏轉，改變無人船推進的矢量方向，從而控制其行駛方向，以此實現無人船的運動控制。

　　2 無人船控制系統設計

　　2.1 控制系統總體方案設計

　　本系統以 STM32F409 作為主控板，通過電力驅動，并配合多種模塊，實現無人船的運動控制。同時利用基于 LabVIEW 開發的上位機軟件，來實現航跡的規劃和數據處理，并對無人船進行遠程控制。借助服務器，該系統以 GPRS 遠程通信為傳播媒介，能夠完成上下位機的通信，實現上下位機間的數據傳輸，圖 4 所示為該無人船控制系統總體方案設計圖 [7]。

　　無人船控制系統主要由上位機系統和下位機系統組成。其中上位機系統主要包括上位機軟件和電腦 PC 端，下位機系統主要包括主控制板、驅動模塊、GPS 與無線通信模塊和超聲模塊。通過上位機與下位機的配合，無人船能夠實現以下功能 ：

　　(1)遠程通信功能 : 實現上位機和船載下位機系統的無線通信 ;(2)航跡規劃功能 : 實現對無人船船體運動進行自主控制，自動規劃航跡 ;(3)自主避障功能 ：利用傳感器信息，實現自主避障 ;(4)人機交互功能 : 向無人船發送控制命令，實現操作人員對無人船進行遠程操作 ;(5)監測顯示功能 : 能夠對無人船船體位置和速度信息進行定時監測并將軌跡圖和航行狀態在上位機軟件中顯示。

　　2.2 下位機系統設計

　　2.2.1 下位機控制核心設計

　　下位機船載系統以 STM32F409 開發板為核心，GPS 與無線通信模塊、超聲模塊以及驅動模塊通過串口與主控板進行通信，船載下位機的系統框圖如圖 5。

　　船載下位機系統中需要主控制板對各模塊進行控制，并對各個模塊不斷進行讀取，同時需要不斷與超聲波模塊進行數據交互，并持續通過 GPS 與無線通信模塊和上位機進行數據傳輸。下位機通過串口收集原始 GPS 數據，并將數據進行處理后，處理后的數據通過 GPRS 網絡傳輸到上位機，上位機發出控制命令后，下位機計算出無人船的偏角，并通過控制推進器電機和舵機轉過的角度來實現無人船運動控制功能，下位機控制程序流程圖如圖 6 所示。

　　2.2.2 超聲波避障設計

　　無人船在進行自主航行時，為避免河道中障礙物影響無人清理船的正常工作，我們通過進行超聲波避障設計來實現無人船的自主避障功能。

　　該自主避障設計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，則單片機對主控制板中初始自動控制程序進行中斷，開始運行避障程序，避開障礙物后，又重新進入自動控制的程序，并按照初始自動控制程序繼續行駛 [8]。

　　因為無人船在自主航行時遇到障礙物前優先于執行避障程序，所以超聲模塊需要使用較高的優先級中斷中斷 0。數據初始化后，通過檢測串口 0 是否接收到來自單片機的超聲數據來進行判斷，并根據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行對舵機和推進器的控制，否則執行串口 1 的判斷，根據發送的指令進行數據的采集或無人船的控制。下圖為主控制板避障程序設計流程圖。

　　2.2.3 運動控制

　　為實現無人船的運動控制，下位機需要與上位機進行連接，上下位機連接后，上位機向下位機發送規劃航跡的目標點 GPS 數據，船載控制系統接收到數據后，開始驅動電機轉動，并定時通過無線通信模塊使用 AT 指令獲取當前的 GPS 數據信息，通過分割字符串的方法得到當前位置的經緯度、速度和航向角，然后定時計算當前位置與目標點的距離以及當前點到目標點的連線與正北方向的夾角。根據船的航向角和所求的偏角可以計算驅動機轉向機構中螺旋槳電機矢量推進時所需轉過的角度。

　　當前位置與目標點位置的距離和無人船偏角計算公式如下 ：