遠程監控水上清潔機器人

劉 洋 劉新月 趙冠華 穆廣才 鄭凌杰 沈栩楷

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

隨著我國社會經濟和城市化建設的突飛猛進，越來越多的湖泊水環境遭受污染。近年來，雖然環保部門加強了監管力度，但是這一情況仍未得到有效改善，需要進一步加強污染源控制、科技創新和宣傳教育等方面的工作，才能實現湖泊水環境的有效保護和治理。很多城市的小型湖泊和河流都存在不同程度的污染和破壞，漂浮著各種垃圾。目前，市面上存在人工和打撈船兩種打撈方式。其中：打撈船適用于較大面積的河流湖泊和海洋中垃圾分布集中的區域，對于水域的邊緣和水深較淺區域因船體體積過大無法進行打撈活動；而人工打撈主要用于較小且復雜的流域，費時、費力且存在一定的危險性。

針對這些問題，文章提出并設計一款基于無線遙控的水上清潔機器人，通過人工遠程操控，收集水中垃圾的同時減少人工打撈的危險，降低成本。隨著人工智能技術的不斷改進和發展，擁有智能水質監測功能的水上清潔機器人，得到了更加廣泛的認可和應用。

1 船體結構

設計一種無線遙控的水上清潔機器人（見圖1），主要由船體、電源系統、傳送系統、動力系統、視頻采集系統、監控系統和控制系統7 部分組成。操作人員可通過遠程遙控手柄控制螺旋槳轉速，從而自由轉換轉彎和前進。前進過程中保持緩慢勻速行駛，保證運動過程對垃圾產生的作用力最小。船體到達目標位置后，污染物通過傳送帶上的濾水帶進行濾水，然后通過傳送帶將垃圾運送到收集艙。當傳感器得到垃圾收集艙滿的信號時，會向控制人員返回相應的信息指令?？刂迫藛T接收到相應信息后，會控制船體?？吭谧罱陌哆呥M行垃圾回收。完成垃圾回收后，水上清潔機器人可以進行下一次的垃圾清理。在運行過程中，機器人頂部可以傳回實時影像，以便控制人員觀察。

圖1 水上清潔機器人

1.1 船體

基于對浮力、吃水深度和重量的考慮，將兩側船體設計成流線型，以減小阻力、加快船體行駛速度[1]。船體采用工程塑料外殼，不僅材料輕，而且質量相對較高，抗水面突發風險能力較強。

1.2 傳送系統

傳送系統不僅具有傳送功能，還具有收集垃圾的功能。傳送帶上有可過濾水的隔板，在接觸垃圾的同時能夠將垃圾推上傳送帶并運往垃圾存儲艙室。運送過程中，水上清潔機器人可以過濾水。

垃圾存儲艙室的收集艙箱底由帶孔洞的板組成，除了實現濾水功能，還能相對減少自身的前進阻力。

1.3 控制系統

該水上清潔機器人的控制系統分為上位機控制系統和下位機控制系統兩大部分，其主要作用是實現操作者和裝置之間的遠程通信功能。操作者通過上位機向下位機發出控制信號，下位機驅動動力電機、轉向舵機及垃圾打撈收集電機，使得機器人沿規劃路經行走，同時打撈收集鎖定的垃圾。上位機和下位機這兩個系統均采用STM32F103C8T6 作為主控芯片。該芯片是一款基于ARM Cortex-M3 內核的32 位嵌入式處理器，最高工作頻率可達72 MHz，擁有128 kB 的程序存儲器，同時支持模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，A/D）轉換，并提供多種通信接口，如通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）、內部集成電路（Inter-Integrated Circuit，I2C）、串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）等。其功能強大，價格低廉，因此十分適合作為上、下位機控制系統的主控芯片[2]。

1.4 電源系統

在電源系統方面，該機器人采用可充電的蓄電池作為主要能量來源。這些電池可以在機器人工作時進行充放電，延長機器人的工作時間。電源系統還包括太陽能充電板，利用太陽光源為電池充電。此外，機器人配備適當的充電裝置和充電管理系統，以便進行充電和管理電池狀態。電源管理模塊負責管理機器人的電池充放電和使用，確保機器人能夠持續工作，防止因低電量而導致機器人停機[3]。

1.5 動力系統

動力系統主要由螺旋槳、直流減速電機以及電機支座組成。直流減速電機固定在電機支座上，電機支座放置在船體后方兩側，螺旋槳通過傳動軸和直流減速電機相連接。系統的運動主要包括船體的運動和傳送帶的轉動。船體由后方兩個電機帶動螺旋槳運動，從而實現船體的自由運動[4]。

該設備采用1 個渦輪機和1 個直流電（Direct Current，DC）馬達作為動力，利用DC 馬達推動推進，并由大扭矩的轉向機構及轉向盤等機構控制推進。DC 馬達由12 V 的電池提供動力，并由AQMH2407ND 型馬達執行器控制電機使能。

1.6 視頻采集系統

視頻采集系統使用USB 攝像頭作為視頻數據采集的硬件設備，在Linux 操作系統環境下運行，并使用Linux 2 視頻（Video for Linux 2，V4L2）編程接口及實時傳送協議（Real-Time Transport Protocol，RTP），加快數據傳輸速度。視頻設備文件打開后，首先進行初始化設置。在這個階段，系統會設置圖像的基本參數，如分辨率的高度和寬度、圖像格式、幀率等，確保采集的視頻數據符合用戶端的顯示需求。其次，初始化完成后，向Linux 內核的驅動程序申請幀緩存。為了將采集到的數據高效傳輸到用戶空間，使用mmap 函數進行內存映射，使得應用程序能夠像訪問普通內存一樣直接訪問幀緩存，從而大大加快數據處理的速度。再次，將已經映射的幀緩存放入輸入隊列，并啟動視頻采集。這個步驟是實時視頻監控的核心，涉及對硬件的控制和數據流的管理。最后，在數據采集的過程中，應用程序不斷從輸出隊列中取出采集的數據幀。系統每處理完一個數據幀，就將其放回輸入隊列，進行下一幀的采集。整個過程形成一個持續的循環，直到監控結束。視頻采集流程如圖2 所示。

圖2 視頻監控系統結構圖

圖2 視頻采集流程

系統的工作模式能夠保證連續且高效地采集和傳輸視頻數據。采集的視頻數據由USB 攝像頭傳送至嵌入式系統，經過初步處理，如壓縮和格式化后，通過RTP 發送給移動端。在移動端，用戶可以利用專門設計的客戶端軟件實時觀看監控視頻。監控軟件能夠根據用戶的操作進行交互，如遠程操控攝像頭的旋轉等。這樣的設計，不僅確保了視頻監控系統的實時性和可靠性，還提升了系統的靈活性和擴展性。

1.7 監控系統

監控系統由攝像頭模塊、存儲模塊、Wi-Fi 模塊、微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）模塊和電源模塊5 部分組成[5]。該系統采用STM32F103ZET6微控制器，采集和處理圖像信號。USR-C322 型無線傳輸系統，具有從通用異步收發器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）到Wi-Fi的雙向傳輸能力[6]。攝像頭模塊使用OV7670 圖像傳感器，不僅體積較小，而且工作電壓較低，能節約電能。它由串行攝像機控制總線協議（Serial Camera Control Bus，SCCB）總線控制，可以輸出整幀、取窗口、子采樣方式的不同分辨率為8 位的圖像數據。存儲模塊為一個4 GB 容量的Micro SD 卡，用于存儲數據。電源模塊是一塊可再充的鋰電池，用以提供能量[7]。視頻監控系統結構，如圖2 所示。

2 結語

隨著社會物質文明的進步，人們的生活質量得到質的飛躍。由于過于重視工業和經濟的發展，而忽視了對環境的保護，使得近年來世界環境日益惡劣，出現各種各樣的環境問題。湖泊、河流中的垃圾隨處可見，不僅對生態環境造成了嚴重污染，而且給人們的飲水健康帶來了極大危害。為了實現生態環境和社會經濟的和諧發展，快速、有效地治理水污染問題，設計一款水上清潔機器人。該機器人采用無線遙控的方式消除垃圾分散和水面波動帶來的未知影響，由操作者判斷收集路線，從而快速地收集垃圾，提高工作效率，改善生態環境。