一种无人河道清扫船的设计

2020年第2期161
人工智能
信息技术与信息化
一种无人河道清扫船的设计
蔡悦晟* 张宇杰 赵 辰 郑威特 鲁卿韵 张兴媛 胡少林
CAI Yue-sheng ZHANG Yu-jie ZHAO Chen ZHENG Wei-te LU Qing-yun ZHANG Xing-yuan HU Shao-lin
摘　要 本文设计了一种占用空间小，无人操作，能实施定位的新型水上垃圾清扫装备。

该系统综合应用飞控、
数传、图传等技术，具有二维运动、实时定位，无线传输遥控等功能。

该系统可应用于内河道漂浮垃圾的清洁，操作人员可以远程监控垃圾与清理船之间的相互位置距离，并且遥控船只进行运动。

同时船只可以自动汇报当前位置，并在处于危险状态时发出声报警信号。

关键词 垃圾清运；图像传输；人工智能
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2020.02.051
* 上海工程技术大学航空运输学院 上海 201620
0 引言
水面漂浮垃圾已成为破坏水域环境，影响市民饮水安全的主要因素之一。

随着人们环保意识的增强，水环境保护越来越受到各方的关注。

因此，有必要采取快速且高效的水面垃圾清理措施以保护水环境。

目前，国内外对水面垃圾的清理一般有人工打捞方式和机械打捞方式两大类。

人工打捞水面垃圾方式利用是机动船，
由环卫工人手持网兜等工具站在甲板边上直接将垃圾打捞上来。

这种作 业方式工作量大，工作环境恶劣，效率低下，并且对于较大的垃圾收集起来十分困难。

传统的机械方式采用翻斗式或导向门式设计，利用液压装置打捞垃圾。

这种机械式垃圾清运船的效率较人工打捞方式有所提高，但仍然存在船只体型较大，不适用于内河道的清理，船员工作居住环境较差，自动化程度还不够高等问题。

而现有的水面垃圾清理机器人，自动化程度高，但是因为价格昂贵，使得应用受到
限制。

kapacitor api：
DELETE /kapacitor/v1/tasks/$TASK_ID
其中：$TASK_ID 为相应
的告警规则ID，如：sin-glecpualert。

2.2.3 告警历史管理
告警历史展示指定告警规则下已发生的告警信息数据，如图7所示。

图7 告警历史界面
告警历史的数据来源于kapacitor 定义的告警规则中回写到influxdb 中的数据，包括告警时间、告警级别、告警规则、告警信息等属性。

调用influxdb api 获取告警历史数据。

告警历史记录以告警时间倒序排列。

3 小结
基于云计算架构的工业云平台可以提供多种工业云服务，其中监控告警服务可以有效保证工业云平台的正常运行，提升企业生产效率，工业云在工业领域的广泛应用，可以将资源和能力有机结合，有效推动互联网企业和传统工业企业融合发展，进而促进工业领域的全面升级。

参考文献：
[1] 孙学珊,杨欣,李民.工业云平台的构建与服务新模式研究[J].中国市场，2019(2):191-192.
[2] 郑航.分析工业云平台的建设与应用实践[J].建设科技，2018(7): 75-76.
[3] 白晋成,林梦泽.工业云平台的现状分析及未来展望[J].价值工程，2017(31): 60-61.
（收稿日期：2020-01-18）
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从目前实际情况来看，我国亟需一些成本较低，自动化程度较高、操作简单、收集容易的垃圾清运船。

1 功能及结构设计
该无人河道清扫船由四大系统组成,分别是船体结构，动力系统,安全系统，辅助系统。

四大系统各司其职，并拥有各自的子系统，组成了一艘窄河道无人清运船。

具体结构如图1所示。

（1）动力系统：包括动力装置,转向装置，操纵装置。

动力装置方面采用电机进行动力输出，在满足动力需要的同时也可以避免对环境产生污染。

转向装置方面采用简单的舵叶设计，即可满足船只所需要的二维运动能力。

操纵装置方
面采用远程遥控来控制方向舵进行航行。

图1 设计结构框图
（2）船体结构：清扫船壳体采用U 形结构，即中空式结构。

中空的这部分安装传送带，即垃圾收集装置来实现收集垃圾的目的。

垃圾储存装置为传送带末端的可拆卸式箱体结构。

（3）安全系统：包括防搁浅，防缠绕，防网鱼与防盗。

防搁浅方面我们在船体上添加视频图传功能，以达到精准控制航迹的目的；防缠绕方面采用切割刀的螺旋桨的设计；防网鱼方面因为我们采用的是传送带的收集方式，收集对象以河面漂浮垃圾为主，故不用担心网到鱼类；防盗方面我们在
船只上安装了GPS 和蜂鸣器，可实现对船只的精准定位和紧急报警。

（4）辅助系统：包括GPS、飞控、数传、图传。

GPS 主要用于船只的定位；飞控用于实现船只的二位平稳运动；数传用于对船只进行遥控；图传用于了解船只周边环境以实现控制航迹。

2 各模块实现
船只的四大系统拥有各自的模块，正是这一组模块组成一套系统，然后才有船只。

2.1 结构模块
船体采用U 形结构，即中空式结构；舵叶位于U 型前端底部，两侧各一片舵叶；通过传送带将垃圾收集，垃圾收集处位于传送带终端。

当垃圾收满，可以旋转到船体上部，保证了较大的存储量，同时，该传送带是可拆卸式的，方便靠岸停泊时垃圾的装卸。

2.2 无线传输部分模块
以LORA 技术为基础，全天候、全方位、远距离的以高清晰度图像方式监控船只周边情况，把河道场景通过图像方式实时传输到指挥监控中心，实现管理周边的工作人员在室
内即可对水面的远距离集中监控及遥控。

图2 基于LORA 技术的智能设备监控系统
本系统需要对智能监控模块的动作设备进行远程操控，智能监控模块硬件结构框图如图3所示。

其中现场检测是指智能监控模块能通过外接测量传感器检测到现场图像。

智能监控模块包括电源模块、微控制器、模拟信号处理模块、数字信号处理模块、LORA 模块、输出控制模块等。

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图3 智能监控模块硬件结构框图2.3 动力系统模块
动力驱动方式采用电机驱动，防止燃油带来的河道污染问题。

一方面近些年来电池的发展较快，使得电池体积更小同时又保证了较长时间的续航能力，另一方面电能属于清洁能源，可以有效避免对环境的污染。

整个装置的质量预设为 15 kg，电机采用可高度防水的水下专用外转子无刷电机，位于船体尾端。

2.4 转向系统模块
转向系统由舵叶、舵轴组成，由于采用了遥控的方式，所以省略了方向舵这一部件，通过遥控的方式直接使舵轴进行相关动作。

舵叶截面如同飞机机翼的形状，是没入水中的、可以围绕舵轴转动的叶片状部件。

拟采用金属骨架，外面为玻璃钢为制成。

这样可以在保证强度的前提下，减轻重量。

船只采用单舵叶，位于船尾居中位置。

2.5 GPS 定位
它主要的作用就是定位，并能授时，测算船舶航迹向、航速、风流压差、以及进行导航。

整个系统由 24 颗卫星、船站、岸站组成。

GPS 是通过天空中的卫星发送信号，而获得的准确的船位；这需要在船上安装上 GPS 的接受系统，就能出现船舶的经度和维度，两条线的相交点，就是船舶的船位。

2.6 防盗及其他模块
①利用 GPS 定位追踪船的位置。

②人体感应报警器：人体触摸感应报警器的引线挂在把手或门或其他重要位置，当有人触摸把手或企图移动船体时，感应报警器就会鸣笛报警，发出约 10 秒钟的高分贝声报警，以便驱赶盗贼或者提醒主人注意来人的动向。

3 结论
窄河道垃圾清理船数一种占用空间小，无人操作，实施定位的新型水上垃圾清扫装备。

该系统可应用于内河道漂浮
垃圾的清洁，操作人员可以远程监控垃圾与清理船之间的相互位置距离，并且遥控船只进行运动。

同时船只可以自动汇报当前位置，并在处于危险状态时发出声光报警信号。

可以有效清理窄河道的垃圾，有效解决人工清理的效率低下和现行大型垃圾清运船价格高，体积大，不适合窄河道清理的问题。

参考文献
[1]尉苗苗. 基于LoRa 技术的智能监控模块设计[D].西安电子科技大学,2018.
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[5]陈超贤,洪明泉,张艺峰,等.海上震源船GPS 跟踪定位软件的开发及应用[J].中国高新科技,2018(16):53-55. [6]潘燃阳,罗星星.基于安全性及合理性的船体结构生产设计[J].科技与创新,2018(21):132-133.
【作者简介】
蔡悦晟（1999-），男，上海人，上海工程技术大学航空运输(飞行技术)专业学生，研究方向：机械设计制造；
张兴媛（1979-），通信作者，女，安徽池州人，博士，硕导，上海工程技术大学航空运输学院讲师，研究方向：工程可靠性、多源信息融合。

（收稿日期：2020-01-05）。