一种结合无人机的新型景区水面漂浮垃圾收集器

魏萍+屈晓歌+孙希艳

摘要：我国经济水平和城市现代化建设进程迅速发展，人们的物质生活水平不断提高，旅游行业也得到了飞速发展，随之而来，景区水面漂浮垃圾问题日益严重。本装置结合无人机和远程遥控装置进行设计，最终完成垃圾的捕捞收集工作，这对于解决由于垃圾不及时处理导致的水体质量下降、水体污染和环境破坏具有重要意义。本文通过描述装置的结构构造，结合无人机远程遥控技术，对装置的工作原理进行介绍，根据实际过程、实验成果和技术改进，组装出具有实际操作和运行功能的装置。

关键词：远程遥控；垃圾收集；经济方便；

引言：

随着社会的进步和经济的发展，国民消费升级、人均收入提高，加上政府支持力度的加大和休闲假日制度改革等积极因素推动了旅游行业的快速发展。近年来各地旅游业日趋繁荣，尤其在法定节假日期间，旅游景区内游客数量激增，景区垃圾也不断增多，很多游客自身素质和行为修养较差，随手将垃圾丢弃于水中的现象比比皆是。这种行为在给景区的形象造成一定的不良影响的同时也破坏了水质，浪费了水资源，给环境带来了巨大的压力。

经过实地考察和走访，我们了解到传统的解决方案一般是景区工作人员采用人工打捞等方式，利用打捞网完成打捞工作或者直接下水捡拾垃圾，耗费了大量的人力、物力和财力。这种方法存在一定的弊端：一方面，人工捕捞具有一定的工作风险，尤其是景区深水区处的作业，这对工作人员提出了较高的工作要求，业主单位也会因为工作人员的自身安全问题承担一定的风险；另一方面，水体具有很大的流动性，时时刻刻都会发生运动，这使得水面垃圾的分布较为分散，垃圾的可移动性也造成人工打捞清理不干净、耗时长、效率低。因此，为了降低人力物力财力等资源的消耗、提高收集效率，本文提出一种结构简单、可操作性强、经济适用的新型景区水面漂浮垃圾清除装置。

一、装置的工作原理和结构构造

本装置的实际大小为：长30cm，宽30cm，高38cm，斜长41.5cm，自身重量为149g。前期，主要从收集垃圾，远程遥控两方面对水面垃圾收集器进行设计。具体来讲，由无人机、可充电电池、远程遥控装置、发动机、垃圾收集装置等部分组成。可充电电池一共有三块，最长工作时间为30分钟。工作原理为：正常工作条件下，电源为飞行器电机提供动力，同时为飞行信号接收器提供电源，飞行器通过电机带动螺旋桨转动，使飞行器升空。信号接收器接收人为输入的指令，控制飞行器完成上升、降落、左右移动，旋转等动作。飞行器下部连接垃圾收集器，通过过滤网对水面垃圾进行搜集过滤，从而达到处理垃圾，清洁水面的效果。

新型水面清洁装置的具体结构如图中所示。图一为正视图，1部分为上部飞行器，为整个装置提供动力，同时接受人为命令的控制进行飞行方向的改变，2部分为下部垃圾收集器，主要材质为塑料网兜，起收集垃圾的作用。图二为俯视图，主要展示飞行器的上部结构，1、2、3、4部分均为螺旋桨，5部分为飞行器的主干部分。其特征是：上部为动力源，由四轴十字型力臂组成无人机外壳，其内部包含可充电电池，信号接收器、发动机。可充电电源为发动机的启动提供动力，保证景区水面漂浮垃圾清除装置的长期使用。无人机内部安装信号接收器，通过远程遥控系统对无人机的动作发出指令。无人机下部脚架部位悬挂垃圾收集装置，主要由塑料质网兜组成，位于上部机体的正下方，保证整体装置的重心稳定，网兜成45°倾斜，便于垃圾收集过程中轻质垃圾的入框，能到更理想的清洁效果。两者之间用直臂杆和软铁丝固定，达到减轻重量，稳固连接的目的。

二、实验过程及改良

模型以郑州大学眉湖水域为实验区，进行装置的实验工作。具体的实验过程如下：

（1）实地考察调研：确定水面漂浮垃圾的种类，主要为塑料瓶、纸盒、易拉罐、树叶等，明确装置的收集对象；

（2）模型组装：将上部无人机与下部的垃圾收集器连接在一起，确定装置的外形，塑料网兜的网口大小

（3）装置的试飞试验：将组装好的模型进行试飞，主要测试装置上下连接处的牢固以及飞行器的最长工作时间

（4）模型实验和改良：在实验区域，对模型进行垃圾收集测试，确定其在构造、连接、飞行等方面存在的问题，并加以改良

在一次次的实验中，装置的不合理之处也被展现出来，我们针对具体的问题进行分析判断，并进行了改良，提出了具体的解决方案。比如：模型上下部分的连接处容易发生松动，我们用细铁丝在塑料网兜的手柄处和上部飞行器的落地支架处缠绕加固；网口形状易于变形，降低垃圾收集效率，我们利用竹竿和铁丝对网口形状进行固定；垃圾收集后，下部重量加重，装置重心偶尔会发生偏移，飞行器会发生晃动、坠落，不能正常完成平移、旋转等作业，我们将模型上下部分进行重新連接，把塑料网的手柄放置在落地支架重心处，用铁丝进行斜向、径向、轴向的多层加固，确保正常飞行。多次改良工作后，通过人为发送指令，操控无人机的运转状态，模型已经完全可以实现对水面塑料空瓶、纸盒等轻质漂浮垃圾的捕捞与收集，垃圾收集的最大承重量为60g，达到了实验的预期目标。

三、装置的创新点和下一阶段的工作方向

本装置还存在很多可以继续改良的部分。所以，下一阶段，我们将从以下方面入手，继续对模型进行改良：在满足经济性和可靠性的前提下，合理调整模型的大小，提高其能够产生的最大升力，增加下部收集垃圾的总重量，提高其通用性；对装置的电池进行改良，增长其有效工作时间；对装置的外壳进行保护，增加其防水性；在飞行器底部安装摄像头，将水面的实际情况实时传输至控制中心，系统自动识别垃圾，并反馈给操作系统，完成垃圾的自动收集工作。

本装置的创新处在于利用无人机与垃圾收集装置相结合代替人工打捞水面漂浮垃圾，能耗小、节能环保、结构简单、安全可靠、造价低廉，实现了机器打捞代替人工打捞的传统方式。特别是对于深水区域和工作人员不易到达的水域的垃圾收集工作，漂浮垃圾分布较为分散，且具有一定的可移动性，机器打捞水面漂浮垃圾目标性更强，极大地提高了工作效率，同时更有助于提升景区形象，降低清洁工作成本。

结语：

随着我国经济的近一步发展，国家和各级政府部门对水资源和环境的保护也日益重视。本作品结构合理、操作方便、功耗低，且有针对性，综合了安全性、效率性、可行性等诸多因素，必然能够成为景区水面漂浮垃圾清洁的重要工具，对水资源的水质保护和垃圾清理具有重大的现实意义。

参考文献：

[1]杨佺.小型水域水面漂浮物收集装置的设计，2016年（5）

[2]陈孟驰.型四旋翼无人直升机飞行控制系统研究与设计，硕士论文，2012年

[3]徐清柳，王勇军，旋翼飞行器的工作原理与系统设计.桂林航天工业学院学报，2015（3）

[4]郭晓鸿.型四旋翼无人机控制系统设计与实现，硕士论文，2012年

作者简介：

魏萍；1997年5月16日；女；汉族；河南省南阳市人 学生 郑州大学 专业：水利水电工程；

屈晓歌；1996年8月23日；女；汉族；湖北省宜昌市人 学生 郑州大学 专业：水利水电工程；

孙希艳；1996年10月18日；女；汉族；四川省西昌市人 学生 郑州大学 专业：水利水电工程。