面向城市内河水面漂浮物清理的无人船系统设计

　　摘要 ：目前，城市内河水面极易被生活垃圾和落叶等漂浮物所覆盖，人工打捞费时费力，且难以满足河道清理的需求。随着无人驾驶技术的发展，具备打捞功能的无人船成为了代替人力的有效手段。为此，本文从解决实际问题的角度出发，解释了一种自动化效率高的无人船的系统设计，利用 GPS 导航、互联网远程控制和航迹控制等技术，为城市水面的环境治理提供一种新型的装备。

　　张馨雨; 那睿奇; 黄宁远; 王亚炜， 电子测试 发表时间：2021-09-05

　　关键词 : 城市内河 ;漂浮物清理 ;无人船 ;自主航线

　　0 引言

　　目前，城市内河河道垃圾泛滥的问题日益严重，由于城市内河河道往往位于居民区附近，居民区的生活垃圾、水边的旅游垃圾和建筑垃圾等极易进入河道，并漂浮在河面上，影响市容的同时也给城市排水系统带来了挑战，因此清理城市内河水面漂浮物成为城市环境治理的一个重要环节 [1]。虽然国内外已经开发出比较先进的水面垃圾清理装置，但是其设备大多针对海洋垃圾和大型湖泊垃圾，而由于城市内河与海洋、湖泊之间的差异，在进行城市内河水面漂浮物清理时，设备需要更加注意噪声和污染问题，因此这些设备对城市河道的实用价值较小 [2]。现如今，对于城市内河河道等小面积水域，水面漂浮物的清理多采用人工打捞，清理效率低的同时，人工成本也较高。

　　而随着近年来移动物联网技术、大数据技术的飞速发展，无人船作为一种智能化、自动化、网络化的水面工具也开始广泛应用于各个领域。无人船可以配合水面漂浮物清理装置，利用 GPS 导航、互联网远程控制和航迹控制等技术，为城市水面的环境治理提供一种新型的装备 [3]。使用无人船清理城市内河水面漂浮物，既能满足清理需求，又节省了人工成本，还提高了清理效率。

　　虽然如今市面上已经拥有了云洲系列 [4] 和欧卡系列 [5]等小型智能无人清理船，但其垃圾清理装置和功能等还较为单一，以此该领域还有较大的研究前景。

　　1 无人船结构设计

　　1.1 无人船船体结构设计

　　该无人船的结构部分主要由船体、漂浮物清理系统、航迹控制机构和控制系统组成，如图所示为无人船结构设计图。

　　船体主要由两侧船身以及将两侧船身连接起来的铝架构成。船型上选择双体船设计，不仅有效地增加了上层建筑层次，给控制系统以及垃圾传输清理机构留下更多的空间，还明显地降低了兴波阻力，减少了船波 [6]。因此，该无人船能有效减少无人船在内河进行清洁工作时船波对内河两岸的冲击与噪声。

　　同时在制造样机时，我们使用泡沫材质制造船体，由于泡沫本身密度较小，浮力较大，在降低成本的同时我们还能有效增加样机的浮力。在船体后方架设有平台，能够放置单片机、控制系统的各种模块、摄像头以及电池等设备，能够有效利用船体面积。

　　1.2 无人船漂浮物清理系统结构设计

　　无人船漂浮物清理系统主要由垃圾收集箱，输送装置和辅助收集装置组成。图 2 为漂浮物清理系统结构设计图。

　　该漂浮物清理系统的收集方式为传送带式收集。如图输送带斜插人水中适当深度，系统前部配合着小型的引导板和网状的阻挡板，能够在输送带前端聚集起漂浮物。同时输送带电机带动输送带运转，随着无人船的移动，传送带将前端聚集的水面垃圾传送到后方的垃圾收集箱内，收集漂浮物的效率相对较高，同时成本较为低廉。输送带两端支座和输送带两侧可以通过螺纹配合调节输送带的角度，在不同条件下的水域，可以通过调节角度调节装置，改变传送带的传送角度及入水深度，方便在各种河道水域下执行清理任务，实现更好的清理效果。

　　辅助收集方面，双体船两侧还安装有压力水枪，能够在垃圾聚集时，使漂浮物分散便于收集。船体两侧还会添加有小型引导板，将水面漂浮的垃圾更好的通过传送带运送到垃圾收集箱内。细节方面，输送皮带和收集箱里都留有渗水孔，带上的挡板也采用镂空设计，能有效减少传送带传送垃圾时水面的阻力，同时还能沥干水分减轻传送带压力和船体的重量，垃圾收集箱位于船尾，底部安装有滚轮，近岸时能轻松完成搬运工作。

　　1.3 无人船航迹控制机构结构设计

　　图 3 为该无人船航迹控制机构结构设计图。

　　该无人清理船使用电力驱动，水下的推进器主要由防水电机和螺旋桨叶组成，防水电机带动螺旋桨旋转，推动无人船前进。通过舵机来控制推进器的偏转，改变无人船推进的矢量方向，从而控制其行驶方向，以此实现无人船的运动控制。

　　2 无人船控制系统设计

　　2.1 控制系统总体方案设计

　　本系统以 STM32F409 作为主控板，通过电力驱动，并配合多种模块，实现无人船的运动控制。同时利用基于 LabVIEW 开发的上位机软件，来实现航迹的规划和数据处理，并对无人船进行远程控制。借助服务器，该系统以 GPRS 远程通信为传播媒介，能够完成上下位机的通信，实现上下位机间的数据传输，图 4 所示为该无人船控制系统总体方案设计图 [7]。

　　无人船控制系统主要由上位机系统和下位机系统组成。其中上位机系统主要包括上位机软件和电脑 PC 端，下位机系统主要包括主控制板、驱动模块、GPS 与无线通信模块和超声模块。通过上位机与下位机的配合，无人船能够实现以下功能 ：

　　(1)远程通信功能 : 实现上位机和船载下位机系统的无线通信 ;(2)航迹规划功能 : 实现对无人船船体运动进行自主控制，自动规划航迹 ;(3)自主避障功能 ：利用传感器信息，实现自主避障 ;(4)人机交互功能 : 向无人船发送控制命令，实现操作人员对无人船进行远程操作 ;(5)监测显示功能 : 能够对无人船船体位置和速度信息进行定时监测并将轨迹图和航行状态在上位机软件中显示。

　　2.2 下位机系统设计

　　2.2.1 下位机控制核心设计

　　下位机船载系统以 STM32F409 开发板为核心，GPS 与无线通信模块、超声模块以及驱动模块通过串口与主控板进行通信，船载下位机的系统框图如图 5。

　　船载下位机系统中需要主控制板对各模块进行控制，并对各个模块不断进行读取，同时需要不断与超声波模块进行数据交互，并持续通过 GPS 与无线通信模块和上位机进行数据传输。下位机通过串口收集原始 GPS 数据，并将数据进行处理后，处理后的数据通过 GPRS 网络传输到上位机，上位机发出控制命令后，下位机计算出无人船的偏角，并通过控制推进器电机和舵机转过的角度来实现无人船运动控制功能，下位机控制程序流程图如图 6 所示。

　　2.2.2 超声波避障设计

　　无人船在进行自主航行时，为避免河道中障碍物影响无人清理船的正常工作，我们通过进行超声波避障设计来实现无人船的自主避障功能。

　　该自主避障设计的原理是在无人船在行驶的过程中，利用位于船体前端的超声模块，循环测量与前方障碍物的距离。如果检测到与障碍物之间的距离小于一定的值，则单片机对主控制板中初始自动控制程序进行中断，开始运行避障程序，避开障碍物后，又重新进入自动控制的程序，并按照初始自动控制程序继续行驶 [8]。

　　因为无人船在自主航行时遇到障碍物前优先于执行避障程序，所以超声模块需要使用较高的优先级中断中断 0。数据初始化后，通过检测串口 0 是否接收到来自单片机的超声数据来进行判断，并根据是否收到避障信号并做出不同的处理。若收到避障信号则进行对舵机和推进器的控制，否则执行串口 1 的判断，根据发送的指令进行数据的采集或无人船的控制。下图为主控制板避障程序设计流程图。

　　2.2.3 运动控制

　　为实现无人船的运动控制，下位机需要与上位机进行连接，上下位机连接后，上位机向下位机发送规划航迹的目标点 GPS 数据，船载控制系统接收到数据后，开始驱动电机转动，并定时通过无线通信模块使用 AT 指令获取当前的 GPS 数据信息，通过分割字符串的方法得到当前位置的经纬度、速度和航向角，然后定时计算当前位置与目标点的距离以及当前点到目标点的连线与正北方向的夹角。根据船的航向角和所求的偏角可以计算驱动机转向机构中螺旋桨电机矢量推进时所需转过的角度。

　　当前位置与目标点位置的距离和无人船偏角计算公式如下 ：