水面垃圾智能收集装置

华北水利水电大学
大学生创新训练项目研究报告
项目名称：水面垃圾智能联合收集装置
项目负责人：沈杰
项目所属学院：机械学院
指导教师：
一、研究目标
传统的清洁方式是人工打捞清理，这种方式效率低且劳动强度大，适用于各种水域范围。

随着科技的进步与社会的发展，人工打捞清理的效率低下和劳动强度大的缺点越来越突出了，随后出些了自动垃圾打捞船。

自动打捞船对漂浮废物可自动打捞，也就是在船只航行的过程中依托水流的力气将打捞的树枝、水生植物、塑料袋等漂浮废物送入船舱内，可快速的大量清理废物，缩短保洁时刻。

比起人工打捞有显着的优势，节省人力，降低劳动强度。

但是为了保证清洁效率这些船设计的都很大，适用于大中型水域环境，无法使用于人们日常生活总经常接触到的小型水域环境。

我们的项目为解决目前城市河道及风景区水域及小流域水面垃圾收集的问题，本项目拟设计一款小型全自动的水面垃圾收集装置，采用视觉传输技术，自动控制技术，特殊的结构方案等，将垃圾识别，收集，实现垃圾打捞的智能化、一体化、高效化，从而真正实现智能化作业。

二、研究过程
本次设计想要设计出一套水面垃圾自动清洁船控制系统，最终欲实现的主要任务目标有：
（1）小船的基本航行功能，包括前进、后退、停止、加减速等；
（2）识别水面垃圾并能进行回收。

整个系统设计由船体及推进装置、主控制芯片、电机和电机驱动电路、供电电源以及图像识别传感器等构成。

1.船体及推进装置
船体的构造与设计直接决定小船能否安全运行以及运行是否顺畅，推进装置的选择与设计将影响小船的运行效率以及安全性、稳定性等。

为了保证小船能够安全、稳定、高效地在水面行驶，我们必须对智能小船的外型构造以及推动装置进行合理的选择与设计，保证各个组成部分能够相互配合。

船体应按空间大小，运行稳定，坚固性等要求来设计，我们使用过纯3D打印船体（重量小），雪弗板拼装船体（空间大，重量大），DIY塑料船体（重量小，使用方便）。

2.主要控制系统
主控系统是实现智能船无线控制的中枢，主控系统的工作正常与否直
接关系到整个系统的运行状况。

这就要求主控制器得有较高的计算处理能力、较高的可靠性、可扩展性及兼容性。

此外，功耗大小以及性价比高低也是衡量主控制器的重要标准。

单片机的选型要根据系统任务和性能要求，通常需要考虑以下内容：
（1）单片机的资源，如串/并行接口、定时/计数器、中断源数目以及存储器的容量等。

（2）价格、封装形式、体积以及性价比等。

（3）开发周期长短、开发环境难易等。

深圳宏晶公司的 STC89C52RC 芯片具有集成度高、片内资源丰富、开发起来便捷高效、性价比高等优点，完全满足本设计中对主控制器的要求。

本设计采用的STC89C52RC 芯片，该芯片具有低功耗、高性能等优点的 8 位单片机。

相比于传统的 51 单片机，STC89C52RC 内部资源更加丰富，因而在国内应用十分广泛。

STC89C52RC 与经典的 51 单片机指令系统相兼容，工作电压范围为 3.3V—5.5V，工作频率范围为 0—40MHz，内部集成了容量为 8K 的Flash 程序存储器（Flash ROM）以及容量为512B 的 RAM 数据存储器。

同时，该芯片集成了 32 个通用 I/O 接口（PDIP 封装）、1 个通用异步串行接口（UART）、3 个 16 位可编程定时/计数器以及 6 个中断源（包含 2 个外部中断）。

单片机最小系统原理图
3.电机和电机驱动电路
电机及电机驱动电路是整个小船推进装置的核心。

只有选择合适的电机及其驱动电路来带动螺旋桨旋转运行，才能实现整只小船的基本航行要求。

电机及其驱动电路的选型，将直接影响小船的各种航行状况以及控制
难度。

对于直流电机，欲保持其转动，我们只需给其接通直流电，因而控制起来尤为简单。

同时，直流电机可采用电压调速与脉宽调速（PWM 调速）。

这就意味着，我们不仅可以通过升高或降低电枢电压来调节电机的转速，还可通过改变电枢通电时间的长短来实现对电机转速的控制。

由于单片机的 I/O 口驱动能力有限，设计中需要采用电机驱动电路。

直流电机的驱动电路本质上为一个功率放大电路，本设计采用应用广泛的
H 桥驱动电路。

H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它
可以实现直流电机的正反向运转以及 PWM 调速等。

鉴于设计需要两个直流电机来带动船尾的螺旋桨动作，我们需要两个性能一致的H 型电路，为此我们选择应用广泛而且十分符合本设计要求的 L298N 电机驱动模块。

L298N 是一种常见且广泛应用的 15 引脚电机驱动模块。

它是一种高电压、大电流的双通道全桥驱动器，可外接标准 TTL 逻辑电平并驱动感性负载，比如继电器，螺线管以及直流电机、步进电机等。

该芯片提供了两个使能信号输入端，用于独立控制每个 H 桥驱动电路。

此外，L298N 还提供了一个额外的电源输入，使得模块可工作在较低的电压。

L298N原理图
4.图像识别传感器
图像传感器是利用光电器件的光电转换功能。

将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。

与光敏二极管，光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多小单元，将
其转换成可用的电信号的一种功能器件。

在我们这个设计中需将水面漂浮物与水面进行辨别，“眼睛”识别后将信息反馈给主控制器，前往该处进行垃圾回收。

针对这一应用我们选用的是OV7670视觉巡线摄像头模块。

同时采用远程fpv图传来传输清洁船前方的实时图像，可以通过显示器查看水域附近的污染和水生植物的泛滥情况，当打捞工作开始的时候，也可以通过摄像头传输的画面精准打捞漂浮物。

该传感器体积轻盈，低热量，距离远，频道多，它是远程拍摄微波传图领域的首选。

在画质的处理上，优秀的5.8G视频传输器能够完全释放出64位模拟色彩度输出。

5.供电电源的选择
电源电路为整个系统供电，包括STC89C52RC主控制器、L298N 电机驱动模块、OV7670视觉巡线摄像头模块及其它外围电路等。

在本智能船控制系统中，我们需要供电电源提供 3.3V、5V、12V 这三种直流电压。

其中，3.3V 直流电压用来给图像识别模块等供电；5V 直流电压用来给系统供电，以保证主控制器、电机驱动模块以及GPS模块等的正常运行；12V 直流电压用于给船尾的两个直流电机供电，驱动电机运转。

为了供电电源的可持续性，我们选择了可充电电池组作为供电电源，解决了重复供电、持续供电的问题。

6.垃圾回收装置的设计
经过多次实践，我们的小船最终选择模仿大型打捞船的利用船身惯性通
过传送带将水面漂浮物进行回收的设计，当船身吃水较重时船体速度下降明显时，主控制器产生一个信号控制小船回到原点。

7.小船回收装置的设计
为了在小船返航过程中提高效率我们在小船上面安装了红外线遥控装置，预防出些特殊情况时失去对小船的控制。

能在80-150米范围内能进行有效回收。

三、调试过程中出现的问题及解决方案
1.保持小船前进航行，发现航行并不是严格沿着一条直线行驶。

原因分析：河面有风力干扰；两个直流电机供电电压及性能不完全对称；船体
，左右不平衡。

左侧稍重（左侧放置了单片机）
解决方案：在船身两侧加上带导水槽的浮筒；尽量在无风的河面进行测试，并更换参数几乎一致的直流电机；在船体右侧填充物块，尽量保持船身左右平衡。

总的来说，这一现象对小船的运行功能没有太大影响。

2.小船测试完发现船体内部船尾部分渗水。

原因分析：经过观察发现是尾部船桨部分密封性不佳，导致水渗入
船体。

解决方案：购买硅橡胶对船尾螺旋桨部分进行密封贴合处理。

4.小船在图像识别过程中会遗漏一些小型水面漂浮物。

原因分析：单片机的I\O口与图像识别传感器的时钟速度不匹配。

解决发案：重新修正图像识别传感器的时钟速度，使与STC89C52RC 微控制器单片机的时钟速度匹配。

四、研究成果
船模一图片
船模二图片
船模三图片
五、研究心得
校创项目到现在，已经过去一年多的时间了。

我们从开始的一无所知、一筹莫展，到现在目标明确、方案清晰，并且制作出了一点作品。

回想当初开展研究项目的过程，从开始寻找课题到申请立项、撰写项目申请书；
到查阅相关参考文献，确定研究目的和寻找创新点；并制定详细的实施方案和步骤；对项目进行相关的调查和研究；到最后确定项目的可行性等，这一步步走来，其中付出的努力和汗水只有经历过的人才懂，其中获得的经验和成长也只有经历过的人才会分享和拥有！这是一次难得的经历，一次让我们得到锻炼和成长的经历。

在做这个项目的过程中，通过尝试来获取可行的方案，由于我们的项目是与水有关，而我们学校老区附近没有合适的水环境来实验，这个问题困扰了我们很久，以及缺少实验室和给力的工具，我们团队进度迟缓。

但是我自从有了这个项目的想法就一直盼望把他做出来，不仅可以促进我学习更多的知识，同时能用我们做出来的东西去清洁水面垃圾（虽然只是小模型）。

对于船模，我们做了三个，第一代是使用雪弗板拼装出一个简易船模，把相关的电机和电池放进去以后，重量偏大，船内有点渗水，而且电机功率太小，推不动整个船的运动。

很快我们就放弃这套装置，第二代，我们重新建模，使用整体3D打印，由于3D打印机的限制，所以缩小船体，由于打印的船体很轻，所以在水面运动不成问题，但是缩小后的船体空间不足，垃圾回收仓就很小。

第三代，选择在网上购买成本较低、简易的带有船桨的船体外壳并进行后期设计改装。

购买的 DIY 船体具有合理的船壳设计，自带螺旋桨等推进装置，大幅度地提高了整个系统的研究与设计效率。

且船身两侧可以装上导水式浮筒，有很强的抗风浪功能。

对于图像识别部分，是我们最大的遗憾，我们先是选择OV7670视觉巡线摄像头模块，但是由于我们知识的局限性，我们所设计的相关程序并不能使电机驱动电路和图像识别模块很好的相适应，以至于其根本不能达到我们所需要的功能。

我觉得一个项目的最难的部分就是寻找最初的想法。

只有有了一个最
初的想法，我们才能去展开，去实施。

为了项目的有效进行，我们组建了五个人的团队，分工合作。

有人查阅文献资料；有人负责技术实施；有人负责和老师沟通，及时解决遇到的问题；有人负责统领团队，分配工作，带领我们一起奋斗！。