一种水面视觉垃圾清理机器人的结构设计

一种水面视觉垃圾清理机器人的结构设
计
摘要：本文介绍一种基于视觉的水面垃圾清理机器人以及该装置的基本结构，工作原理和工作特色。

具体阐述了该装置的设计方向，未来前景，以及对人类未
来水污染处理方式的重大影响。

该装置基于摄像头的人工智能视觉算法使得垃圾
清理机器人能自动发现并识别垃圾，之后通过目标追踪使小船行驶到垃圾所在位
置并通过传送带，压缩装置和粉碎装置对垃圾进行收集和加工以达到清理垃圾的
作用。

结果表明，该机器人适合多种复杂水域环境，具有稳定性强、作业效率高、原材料清洁环保等优点，可广泛应用于水环境治理领域。

关键词:人工智能；机器视觉；自动控制；垃圾清理船
1.引言
海洋因其空间广阔成为人们生活和生产的活动场所，但水面漂浮垃圾的问
题也接踵而至。

偌大的江河湖海水面之上，漂浮着各种垃圾，严重影响水域环境。

为更绿色地利用水资源，各国对水面的垃圾清理也较为重视，但效果不是
太理想。

【1】根据调查，目前小型水域的漂浮垃圾清理仍以人工驾驶船只打捞为主，存在效率低、成本高和劳动强度大等问题，而且小型水域经常存在水面狭
窄或者深浅不一的区域，打捞具有一定的危险性。

为了克服现有技术的缺点．针
对小型水域特点和现有清理装置的不足，我们团队设计一种小型水面垃圾清理装置。

【2】
2.主体设计
本文所设计的视觉跟踪水上垃圾清理船是由动力模块、功能模块、视觉模块、电源模块组成。

小船的工作流程为小船首先进行目标识别，即通过卡尔曼滤波将
目标框处理为预测框，再通过距离代价矩阵进行匈牙利匹配，将特征值、检测框
与匈牙利匹配共同作用，追踪 ids 系统，寻找目标 ids。

随后进行目标跟踪，
移动小船行驶到目标地，将垃圾送入小船内部，使垃圾最后被送到储存箱。

主要
结构包括两个1.5KG 推力的直流转向推进器，传送带，垃圾储存箱，摄像头探照
灯组成的视觉模组，压实装置，24v 磷酸铁锂电池，电源转换器等部件。

3.结构设计
本文所设计的水面视觉垃圾清理机器人装置如图1所示。

该装置主要由动
力模块、功能模块、视觉模块、电源模块组成。

图1水面视觉垃圾清理机器人
图2垃圾收集与处理机构
（1）如图2所示，垃圾收集系统由三部分组成：传送带、压缩装置、粉碎
装置。

垃圾首先被摄像头识别，之后小船运动到垃圾的位置使得垃圾被送上传送带，之后垃圾通过小船的粉碎装置被粉碎成碎末。

最后碎末通过小船的压缩装置
被送到垃圾储存箱完成清理工作。

传送带主要包括传送支架、电机、主动滚筒、从动滚筒、传送带、张紧装置等。

通过T=9550P/n和所选电机参数算出传送带的
速度为0.5m/s。

（2）小船的动力系统由两个直流推进电机控制螺旋桨转动提供推力。

通过对船运动阻力分析和对于摩擦阻力系数的计算，选取合适的电机功率，并通过公式
（1）
（2）
对推力和力矩进行计算,最后求出单个螺旋桨的最大推力。

通过以上计算最后采用两个36W、12V、1500r/min 的水下直流电机作为动力系统。

【3】
图3水面视觉垃圾清理机器人视觉系统流程图
（3）视觉系统由摄像头和探照灯组成。

摄像头的工作原理为首先进行目标识别，即通过卡尔曼滤波将目标框处理为预测框，再通过距离代价矩阵进行匈牙利匹配，将特征值、检测框与匈牙利匹配共同作用，追踪 ids 系统，寻找目标 ids。

随后进行目标跟踪，移动小船行驶到目标地。

在实际运作过程中，对于近距离的水面漂浮物，操作者可用手动操作模式，用肉眼简单直观判断漂浮物所在位置，然后通过遥控调整船体姿态进行收集。

通常情况下，对于稍远的漂浮物，操作者不易通过肉眼判断位置，此时就要借助于视觉处理的辅助，操作端摄像头传回的图像可显示船体第一视角，通过相关算法判定位置，用方框标注出来，操作者通过传回并标注好的图像，遥控调整船体姿态进行收集。

视觉处理为操作者起到视觉辅助作用，使垃圾清理过程更加便捷高效。

当然也可以选择全自动模式使小船无需人任何操作即可自动识别和运动。

【4】
（4）小船的动力系统为24的磷酸铁锂电池。

充电方式有两种：第一种是垃
圾清理船在行驶的过程中自动监视自身的电量，当垃圾清理船监视到自身的电量
不足时，就会自动返航，返回到自己的出发点。

操作者也可以用小船的配套充电
装置设立自动充电区，当有充电区时小船会自动规划行程返回到充电区。

在充电
区小船与充电座自动对接，充电座通过感应耦合给小船充电。

第二种是太阳能变
压直充。

为了提高垃圾清理船的续航能力，采用太阳能电池板给过控制器给电池
充电，使得小船可以一边工作一边充电。

如图4所示，水面视觉垃圾清理机器人的控制系统由Arduino,蓝牙，陀螺仪，摄像头，手机终端APP，电机驱动等部分组成。

控制系统以Arduino为控制核心，Arduino的芯片为Atmega328，该单片机具有性能高，功耗低的优点。

蓝牙选用
cc2541低功耗蓝牙芯片，通过V4.0BLE蓝牙协议与手机联系。

图4水面视觉垃圾清理机器人的控制结构
1.结语
水面视觉垃圾清理机器人具有智能化，小体型，绿色环保等特点，适用于各
种复杂的水上环境。

可以解决目前水面环境治理出现的不环保，效率低，不智能
等问题。

给未来国家的水环境治理提供了一种新的方法。

同时也为推动人工智能
进入人类生活并改善人类生活做出贡献。

在未来当我们面对社会发展所带来的水
环境污染时我们不会再担心，而是会用水面智能垃圾清理机器人去代替人工和普
通机械去解决这些难题。

未来会因为我们的发明创造而变得更美好。

水面智能垃
圾清理机器人不仅带给我们更高效的清理效率，而且让我们更深刻地了解科技和
环保。

既响应了环境治理的智能化理念，而且也带来了变革。

具有非常广阔的市
场应用前景与推广价值。

参考文献
[1]张国洲,朱晨炜,卢加津,高海宁,刘东.一种水面垃圾清理机器人[J].兵工自动化,2020,39(03):90-92+96.
[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]刘思洋.水面垃圾清理机器人电控系统及目标识别算法的研究[D].陕西科技大学,2019.
[4]李嘉琪,邓彦松,余国娟.基于Python视觉识别的双模双动力水面垃圾清理船[J].兵工自动化,2020,39(02):93-96.
基金支持：武汉商学院2021年大学生创新创业训练计划,项目编号：202111654035。

作者简介：1.路浩原, 2001.08-武汉商学院机器人工程专业学生，河南安阳人，主要兴趣和研究方向有机器人控制、机器人编程、机器人视觉。

张向阳， 2002.05-武汉商学院机器人工程专业学生，湖北公安人，主要兴趣和研究方向有机器人控制、机器人编程。