基于Arduino的水上垃圾回收机器人控制系统设计

第17期2023年9月无线互联科技

Wireless Internet Technology

No.17

September,2023

基金项目:河北省教育科学 十四五 规划课题;项目编号:2203145㊂河北省体育科技研究项目课题;项目编号:2023CY13㊂2023年全国大学生创新创业训练计划项目;项目编号:202310084003㊂作者简介:梁超(2003 ),男,河北石家庄人,本科;研究方向:机电一体化㊂

∗通信作者:倪笑宇(1984 ),男,河北张家口人,副教授,硕士;研究方向:高等教育,机电一体化㊂

基于Arduino 的水上垃圾回收机器人控制系统设计

梁㊀超1,刘志韬1,余新贝1,孙㊀彬1,倪笑宇1,2∗

(1.河北建筑工程学院,河北张家口075000;2.张家口市特种设备智慧监测运维技术创新中心,

河北张家口075000)

摘要:通过对国内水上垃圾回收问题的研究发现,现有的水上垃圾清理船大多体积庞大且依靠燃油驱动,不仅运行能耗大㊁维护成本高,还会给水源带来其他污染,有些清理船虽然个头小但垃圾的回收效果却不太理想㊂为了解决这些问题,文章设计了一种基于Arduino 的水上垃圾回收机器人控制系统,该机器人可以通过无线通信㊁电机控制㊁传感器等多种方式,实现对水面垃圾的快速㊁准确的检测㊁收集㊁运行和定位㊂该系统操作方便,成本低廉,为现有水上垃圾回收机器人的设计方案提供了一种新的思路㊂

关键词:Arduino ;水上垃圾回收机器人;无线控制中图分类号:TP242;TP39㊀㊀文献标志码:A 0㊀引言

㊀㊀随着环境污染的加剧,许多城市的河流㊁风景区的人工湖泊受到了严重的破坏,塑料漂浮物㊁树枝碎片等物质混入其中,使人们的生活受到很大影响㊂目前,国内的城市和湖泊中一些小水体清洁作业主要通过工人驾驶机动或非机动船打捞水面垃圾,这种方式效率低下,且由于工人长时间在水上工作,存在很大的安全隐患㊂为解决这些问题,本文设计了一种结合AI 视觉的太阳能水上垃圾收集机器人㊂该机器体积较小,可以自动识别和追踪水上的漂浮垃圾,无需人工控制,在改善生态环境的同时,能很好地适应河流㊁湖泊等静水区的使用㊂1㊀系统硬件设计

㊀㊀当前,机器人的控制系统主要依赖于电子技术㊂本文将介绍一种基于Arduino 的水上垃圾回收机器人的控制技术㊂该机器人的关键部分包括:Arduino 控制单元㊁收集装置㊁电源模块㊁无线控制模块㊁识别模块和动力驱动单元㊂其中,动力部分采用水下推进器;收集装置主要由ULN2003APG 驱动芯片㊁步进电机以及装有勾臂的传动带组成;自动控制部分则由红外光电感应器㊁超声波传感器及OV7670摄像机等设备组成;而无线控制部分则由Android 设备以及无线网络接收器等组成㊂系统结构,如图1所示[1]㊂1.1㊀Arduino 控制器

㊀㊀本文采用Arduino Mega 2560作

为控制器㊂Arduino 作为一个完全开放了源码的电子平台,在其开源协议允许下可以随意进行修改和设计㊂同时,这

图1㊀系统结构

款控制器拥有相对灵活㊁易于操作的软件和硬件,可以提供更多的I /O 接口,连接更多的传感器模块,进一步保证水上垃圾回收机器人运行的稳定性和反应的及时性㊂

1.2㊀检测识别模块

㊀㊀本文采用了带有FIFO 的OV7670摄像头模块,此模组体积较小㊁工作电压低,还可以提供影像处理器与单片VGA 摄像头的全部功能㊂同时,FIFO 的存储速度非常快,可以大量快速储存机器人拍摄的照片,方便CPU 将获得的照片数据慢慢取出并进行分析,大大提高整个系统的运行速度[2]㊂1.3㊀驱动芯片

㊀㊀收集装置选用步进电机来驱动传送带收集水面漂浮垃圾,可以很便利的将垃圾和水分离㊂同时,选用最常见的ULN2003APG 驱动芯片来作为步进电机

的驱动芯片,这款芯片拥有一个高效的连接器,能够精确地与电动机的电线相匹配,使得电动机能够轻松地安装在板上㊂此外,4个LED 灯也被安装在4根控制输入线上,为步进状态提供指引,使整个系统更加高效㊁稳定㊂输入某一相电流为高电平时相对应相的LED 指示灯变亮,使其在运行时不仅可以提供一个良好的视觉效果,还带有一个ON /OFF 的跳线来隔离步进电机的电源㊂该芯片驱动步进电机原理,如图2所示

㊂

图2㊀ULN2003APG 驱动原理

1.4㊀红外光电传感器

㊀㊀本文选用E18-D80NK 光电传感器来监测舱体内垃圾的存储量㊂这种光电传感器具备发出和接收信号的功能,由接收器㊁发射器以及相应的检测电路组成,具有极高的探测距离,而且可以抵抗大量的可见光,操作方便,价格实惠㊂1.5㊀超声波测距模块

㊀㊀由于超声波具有频率高㊁方向性固定等特点,所以本文选用HC -SR04超声波测距模块来进行机器人前进方向上障碍物的检测㊂HC -SR04模块能够将超音频信号传输至目标物体㊂当它碰到障碍物时,会被反射回来,并由其他端口接收㊂利用这些信号的传输时间差,就能够根据相应的公式来估算出机器和目标物体的距离㊂此传感器能够自动检测是否有信号传回,只要是在有效的检测范围内就可以自己进行障碍物的锁定,无需人工进行调整,而且该模块拥有性能稳定㊁测度距离精确㊁抗环境干扰能力强的特点[3]㊂1.6㊀电池模块

㊀㊀性能良好的电池模组可以更好地保障水上垃圾回收机器人的正常运行,电池采用的是磷酸锂铁电池㊂该电池具有低电阻和良好的电化学性能,拥有高额定电流㊁良好的热稳定性和较长的使用寿命;对充电条件的耐受性强,与其他锂离子电池相比应力更小;且能量密度大,可以更好地保障机器人的运行㊂

在船体的上部放置太阳能板能更好地增强机器人的续航能力㊂

1.7㊀动力驱动模块

㊀㊀机器人动力驱动模块除了要能实现机器人的正常水上前进,还需要解决机器人水上的转向问题㊂本文采用2个T200水下推进器安装在机器人的后方,保证其推力能正常推进㊂同时,将2个T200水下推进器连接至2个电机上,电机连接Arduino 控制器,从而能单独控制单个推进器的转速㊂因此当控制一侧的推进器转速小,一侧推进器转速大,即可实现机器人向转速小的一侧转向,从而实现转向功能㊂1.8㊀无线控制模块

㊀㊀该系统主要由Android 设备和无线网络接收器组成,通过地图软件进行工作区域的划定后,Android 控制设备通过网络向机器人发送命令,机器人接收到信号经过处理反馈后,根据指令在相应的工作区域开始作业㊂这种操作方法简单便捷,十分容易上手㊂2㊀系统软件设计

㊀㊀该控制系统主要由动力驱动系统㊁自动收集系统㊁检测回收系统及自动检测系统4部分组成㊂这4部分相互协调㊁分工合作来实现机器人对垃圾的精准识别和收集工作㊂

在开机工作后,机器人首先进行自检工作,包括剩余电量㊁驱动系统正常与否以及垃圾存量等㊂如果在某一方面出现问题,机器人会向Android 手机控制端发送相应的警告提示㊂在人工解决后,自检系统未发现问题后,机器人才会启动在并指定水域内进行自动巡航㊂在自动巡航时,摄像头会在前进方向上检测是否存在垃圾,如果存在垃圾,机器人会像垃圾方向前进,在接近垃圾后启动收集装置将垃圾收集进舱体内㊂当垃圾检测装置检测到舱体内垃圾过多或者电量不足时,机器人会自主规划最佳返航路线并向控制端发送警告提示㊂2.1㊀启动自检系统

㊀㊀在机器人开机工作后,系统会进行一次启动自检工作,会对机器本身的剩余电量㊁舱体垃圾存量㊁驱动装置㊁识别模块以及回收装置等进行一次流程检测,在确保各装置可以正常工作后,根据控制端发布的命令,自动规划巡航路线㊂该系统的设计流程,如图3所示㊂

2.2㊀巡航收集系统

㊀㊀该系统由OV7670摄像头模块㊁ULN2003APG 驱动芯片㊁步进电机和特殊设计的传送带组成,能够自动识别水域中的漂浮垃圾,并在发现目标物品后,控制板会控制驱动系统朝垃圾方向移动,等待接近垃圾时,控制板会控制步进电机,将垃圾传送到舱体内,从而实现垃圾的有效回收[1]㊂巡航回收系统设计流程,如图4所示㊂