一种新能源水上清理船的设计

谭吉 黄自湘 柯树浩 黄婉雯 周永恒

摘要：水中的漂浮物及水下的垃圾一直困扰着人们生活，世界各国也花费了大量的时间、精力和经费去清理。针对现有的水上清理船功能的局限性，因此，设计出一种智能清理船，提出一种具有太阳能电池系统、动力系统、控制系统、传感系统、自动识别执行系统以及船体系统的水上智能清理船，进行对各种河道、海滩等水域以进行高精度远程作业，提高水面清理工作的安全性和高效性，节省人力成本。

关键词：设计，智能清理船，远程作业，高效性

0.引言

近年来，旅游业蓬勃发展，产生了许多水上垃圾，而且人们对美的欣赏要求越来越高，但是人工打捞这些垃圾效率低、耗时长，无法满足景区的要求，所以，景区对新能源水上清理船的需求是庞大且迫切的。

1.结构设计方案

（1）该船采用双船体结构;该船使用双船体结构，每个船体一个推动机。在两个船体间有多段连接桥连接两个船体的结构框架，框架中作为舱室。载舱室内存有蓄电池、核心电路板。在连接桥上端部署信号接收装置已接收wifi和太阳能电池板。两船体前端各一个机器抓（清理网），在双船体中间放置履带式铲子。这样能清理各种大小不一的障碍物，以及面对复杂的环境能轻松应对。

（2）动力系统：此船采用4块太阳能板将太阳能转换为电能储存在4块24V的铅蓄电池内，让装置可以更长时间地工作，提高传输效能。根据船的变速结构，我们设计了控制系统，该控制系统能精确调速、转向更平稳，性能更稳定。通过控制马达的转动速率，来调控操控船的方向、速度。在清理垃圾区域方面，以及吸油滤网方面主要是由步进电机完成，最后清理船的灯光、WiFi等信号接收设备则是由太阳能电池板来提供。各电路分工明确，各板块相互协调、配合。

（3）安全系统：船体前端设置感应装置能侦测温度、能见度以及路状，有能力能应对各种障碍。以物联网大数据技术为基础，增设自动识别航行系统，通过声光感、湿度温度感受器等技术，能够高效的收集、分析海域的近端天气状况、通过智能传感器提前收集处理水体危险障碍物的数据，并根据这些数据规划出一条最快速、安全可靠得的线路。该船拥有太阳能供电模块，水面清理模块，动力控制模块，主处理器，无线传输模块，北斗全球定位模块，自动导航模块，智能避障模块以及远程控制终端保证了其安全性。

2.新能源智能水上清理船的功能模块设计

（1）动力模块的硬件设计：太阳能起辅助作用，蓄电池提供动力。直流电动机主要为行驶状态、遥控工作状态下的船提供动力，交流电机主要为清理设备提供动力。 智能清理船采用4块24V蓄电池来作为动力源，以便能更长时间工作作业。对于控制动力的电机，有更好的控制效果，稳定船的转向、速度以及走向。

（2）清理模块的硬件设计：清扫模块由弯曲筛网和直筛网组成，筛网外层是铁丝筛网，内层是吸油滤网的底部与侧面都滤水小孔，收集轮设计采用仿动物形变翼偏心运动结构模式，带动收集板进行伸展收缩的回转运动，扩大了了船体的工作范围，适用于各种领域范围保证船体的稳定性，大大提高工作效率。可以使得弯曲筛网能够360°旋转，能够轻易将水中的不规则垃圾打捞起来。

（3）传输模块的硬件设计：传输模块对清理船起到至关作用，就像血液对人体生命一般。利用电机的动力把垃圾推入筛网中以便捞起来，，将垃圾倒在直筛网上，筛网再把垃圾卷入垃圾箱内。而另一部分则是由吸油铝制网把水域内的污染油质等 吸附于滤纸网上，在经过传体内的刮油刀，把污染油脂刮至垃圾箱中，以便处理。弯曲筛网继续按照此前工作模式顺时针转动，利用循环系统可以重复工作，提高了工作效率。

（4）遥控模块设计：由路由器扩散信号、WiFi模块发出信号及遥控器组成，可以在接近50米距离内进行远距离遥控操控（也可通过手机APP操作），通过信号功率放大可以扩展到更远的距离，并采用FPV图像回传系统，在工作过程中可通过手机以及电脑的APP对船体进行远程遥控和监控，保障船体的安全。

（5）控制模块的硬件设计：控制系统的硬件是清理船的关键，采用单片机32为核心操控部件，采用编程类基础语言C语言及C++语言编程，从而使船体的各个模块能够有条不紊地运行。

（6）系统控制设计：检查电路连接是否正确，设点设备是否安全可用。然后接上电源，打开手机无线发送数据，打开WiFi模块启动，连接之后检查每个部分是否正常运作，排除故障之后，进行清理工作。采用单片机32为核心操控部件，采用编程类基础语言C语言及C++语言编程，包括温度、水速、压力、方位位置、电机频率等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统。

3.新能源智能水上清理船的应用

新能源智能水上清理船可以对绝大部分的江河进行清理工作，船舶按照江河大小的不同而分为大小规格不同的类型，窄小的河道可以选择小型清理船，宽大的江流和湖泊可以选择中型或者大型的清理船，无论是什么型号的船舶，都可以有效的对水面的杂物、水草等物质进行打捞工作，保证水体的清洁。以往的水上垃圾都是靠清洁人员手动清理，不仅效率低，并且十分危险，很容易对清理人员造成生命危险。而新能源水上清理船正好解决了这一难题，我们采用的是远程操控、无人作业、利用新能源产生动力。我们既提高了作业的效率也从侧面保护了清理人员的生命安全。而且，它能自动识别障碍，能有效地避开障碍物，并自动转向，不会与其他船体发生碰撞，船体安装的传感器也能准确地感知落水者，不但不会对落水者造成威胁，而且会利用船体的浮力挽救落水者。如果传感器失灵，远程操控失灵，我们的系统也是拥有自动循迹功能，所以不用担心传感器失灵这类情况。

4.结语

水上智能清理船拥有太阳能电池系统、动力系统、控制系统、传感系统、自动识别执行系统等一系列的智能系统，可以实现自动、手动清理的目的。智能清理船能够代替人工，全面地提高了清理能力，同时大大降低成本。该多功能智能清理船可在保护水资源环境等方面发挥重要作用。

参考文献

[1] 李天翔，周海燕，谢深炎，韦荣，叶慧玉，石仗.智能水面监测清理设备的研制[J].电脑知识与技术，2019，15（15）：261-262+265.

[2]高晓红.一种小型水面垃圾清理装置的研究与设计[J].海南大学学报（自然科学版），2019，37（03）：254-260.

[3]許洪基.现代机械传动手册[M].机械工业出版社，1995.

[4]卢贤占等.机械原理[M].机械工业出版社，1990.

基金项目：北部湾大学大学生创新创业训练计划资助项目（202011607100）;

（北部湾大学 广西 钦州 535011）