水上漂浮物自动清理机器人项目研究结题报告

水上漂浮物自动清理机器人项目研究结题报告 “水上漂浮物自动清理机器人”项目研究结题报告 学生姓名:鲍陈磊 于一帆 陈姝妍 刘冰 学院名称:电气及自动化学院 指导老师:雷呈喜 助理工程师 1 课题研究目的 本课题所要研制的水面漂浮物自动清理机器人是一种新型高科技环保产品，主要用于水面漂浮物(如漂浮垃圾)的打捞和收集工作。其自动化程度较高，能完成对各种水面漂浮垃圾的扫描、和收集工作，并能有效回避障碍物，收集满后还能自动返回，同时也可以将其改为由工人遥控完成，能适应各种情况下的工作，从而使得使用的范围更加广泛，效果更加显著。 2 课题背景 近年来，随着工业的发展，我国水体污染日益加剧，社会影响巨大，造成的经济损失更是无以估量。在经济不断发展的今天，人们已经越来越意识到环境保护的重要性，特别是水体保护的重要性，这不仅仅是美化我们的生活环境，创造更加适宜的生存空间，而且更是对经济、对我们的日常生活有着十分深刻的现实 对于水面漂浮物的治理，国外已研制成功大型综合清污船等自动化水平比较高的水面固体垃圾收集机械，定时在河道上巡航清污，用较小的经济成本换来了较大的环境效益。 而国内的治理现状仍然停留在人工打捞阶段，效率比较低，工作强度比较大，亟需实用的机械化设备参与清污。 于此同时，人工打捞方式还有一定的限制，对于水面比较狭窄的地方，或是水较少，水深小于50cm左右的地方，就无法进行正常的打捞工作;同时，对于一些污染比较严重的水体，人工打捞也就不太合适了。 我们研制的水上漂浮物自动清理机器人模型，就是为了改进以上人工打捞的不足而的，可以在很大程度上提高固体垃圾收集的效率和垃圾收集的范围，降低成本，减少工作人员的工作强度。它可以实现自动扫描、寻找、识别各种漂浮于水面之上的垃圾，自动地运动到垃圾处收集垃圾，把收集到的废物放在回收箱。同时可以实现人工遥控控制，以满足各方位的需要。 3 课题研究主要 我们设计制作的水上漂浮物自动清理机器人模型如下图所示，由机械部分和电子部分构成。 图1 水上漂浮物自动清理机器 人模型 - 1 - 4 成果介绍 4.1机械部分设计 4.1.1推进机构 采用这种推进方式因转轴高于水面一定距离，不易被缠住，而且运行效率较高，运行时平稳。同时，转向时不需要用舵控制，只需要调节电机转速使两侧水轮转速即可达到转向的效果，极易实现控制。 图2 推动轮 4.1.2收集机构 使用采用类似簸箕的垃圾收集铲，通过电机带动其转动，将发现的垃圾铲入收集，然后再放入主垃圾箱中。在工作过程中，垃圾收集铲位于水面以下，从而使得其不会影响整个装置的探测工作。 图3 收集铲 4.1.3机械主体材料 我们选择使用有机玻璃。 4.1.4主体设计 前端过水面采用倾斜设计，使过前端的水流斜向下流过，这样可以尽量减小突出体阻力。同时，侧表面的各过水面也使用倾斜设计，各面连接采用圆角过渡，减小整体在运动过程中 - 2 - 的流体阻力。 图4 主体结构三维造型 4.1.5电机选择 在整个机械中，动作的完成需要电机的有效配合。从上面可以知道，主要是推进机构和 收集机构需要电机。 对于推进装置所需的电机，我们选购了Z5D60-24GU直流减速电机;对于收集装置所需 的电机，选择使用直流电机，我们选购了Z3D25-24GN直流电机(带减速器)。 4.2工作原理及电路部分设计 4.2.1机器人基本动作 水上漂浮物自动清理机器人模型的主要动作: , 前进:两台主动电机同时工作; , 旋转:主动电机中一台不工作，同时另一台工作; , 垃圾收集铲收集动作:两台动作电机正向旋转，使得垃圾收集铲顺时针旋转，上侧 行程开关探测出现信号变化后停止; , 垃圾收集铲回复动作:两台动作电机反向旋转，使得垃圾收集铲逆时针旋转，下侧 行程开关探测出现信号变化后停止。 4.2.2垃圾的发现 如图所示为探测垃圾的基本原理示意图。 A传感B传感 器器 物体反射获得信号为高电平 A传感器可以收集物体时 的波形图 B传感器 A传感器不可以收集物体 时的波形图 B传感器 原因是当A、B同时接收到信号时 表明该物体大小已经超出铲斗大小 图5 垃圾探测基本原理图 无法收集 - 3 - 4.2.3方向的调整 机器人在水面中前进时可以自动调节方向。这个功能是依托于垃圾的探测功能。 4.2.4收集过程 当存在合适的垃圾时，两台主动电机同时工作，模型开始前进。在模型前进的过程中，同时适当地调整方向。 基本原理可参见PLC程序流程图。 4.2.5传感器 我们在探测垃圾以及垃圾箱容量检测时需要使用光电传感器。我们选择了OMRON的E3Z系列的光电传感器。因为实际的需要，我们选购了散射型和对射型的光电传感器。 4.2.6可编程逻辑控制器PLC 我们采用的PLC为西门子公司的SIMATIC S7系列PLC。 4.2.7 PLC程序 根据水上漂浮物自动清理机器人模型收集垃圾的工作原理，我们编写了PLC的程序，包括主程序，遥控程序，垃圾探测程序和垃圾收集程序。下图为主程序的程序流程图。 开始 有 判断遥控器信号 无手动挡 自动挡 无扫描周围是否有前进5s物体物体 有 否 辨认是否收集物体调转45? 是 前进 循 环调整方向 过 程A 收集物体 否 是否收集完成图6 主程序流程图 是 - 4 - 下图为垃圾探测子程序流程图 垃圾探测 船体顺时针旋 转 调整45?无A处是否有信号前进5S 有 开始计时计时用来判断旋转 角度 B接收到信号 无判断A处信号是物体大小不合适，继否合适(从有到无，续旋转到计时时间为 见“扫描模块)T/2，前进5s 有 物体大小合适，电机逆 时针旋转小角度到B处无 信号 垃圾收集 结束图7 垃圾探测子程序流程图 - 5 - 下图为垃圾收集子程序 垃圾收集 否撬杆处对 前进管有信号是 主电机停止 转动 撬杆电机 正转 否 上侧行程开关有无信号是 停止1s 反转 否 下侧行程开关有无信号是 回主程序 图8 垃圾收集子程序流程图 - 6 - 结束 4.2.8遥控电路 为了提高可靠性和准确性，同时也为了减小成本，我们还是决定直接购买遥控芯片。购买现有的集成遥控芯片远比自己设计、制板、焊接来得合算。我们选购了SC2272-M6六通道遥控芯片。同时，我们使用软件编程的方式来弥补硬件上的不足。在软件中完成信号的锁定。 4.2.9控制电路 因为我们使用了PLC作为主控单元，其功能十分强大，使得其它的电路十分简单，主要是对PLC的基本辅助，对PLC以及其它电子元件(遥控板以及传感器等)供能，同时对信号进行简单的处理。 继电器使用欧姆龙MY2NJ-24DAC 继电器。 电池使用两块T.E.T 12M5.0(12,,.0Ah)镍镉蓄电池，充满电后可以连续工作超过5个小时。 5 实验测试及其结果 为了全面准确地评估我们设计并制作的水面漂浮物自动清理机器人的各项性能和指标，我们在实验室内以及室外做了一系列的实验。我们进行了在静止模式下的实验以及工作模式下的实验。 我们选取了哈尔滨工业大学科技园园区内的水域(马家沟一段)进行室外实验。 测试结果较为理想。 6 体会与收获 2007年10月，我们申报的国家科技创新项目——“水面漂浮物自动清理机器人”被审批下来。 通过一年半的时间，我们终于完成了这个创新任务，在项目实施过程中最大的收获，莫过于积极探索的学习品质、坚韧不拔的毅力、刻苦钻研不怕困难的科研精神以及科技创新意识的加强。随着各种知识在实际中的应用和指导老师以及其它老师和工人师傅的点拨，不但巩固了相关知识，拓展了知识面，更使我们深刻地体会到理论学习与实际应用的差距、项目构想和实施的差距，使我们受益匪浅，让使我们实践经验、分析能力、全面思考能力大大加强。 为了很好地完成工作，每个人都翻阅了各种专业籍。作为负责机械整体设计的鲍陈磊同学就翻阅了大量机械设计手册等相关专业书籍。刚开始时，那繁多的设计参数和类型让他无从下手。通过学习和请教老师，才对实际应用与理论分析有了较深刻的体会。而且因为设计上的需要，又必须回忆以往学过的知识(像机械设计，AUTOCAD,大学物理等等)，并学习没有学过的新的专业知识(船体动力，电机，机械原理等等)，这使我们大有收获。 随着项目的深入，团队也渐渐显示出它的力量。面对扑面而来的难题时，我们做的不是独自面对，而是共度难关。每两周一次的研讨，定期同老师的沟通，让我们随时掌握项目各个方向最新动态。哪里遇到了问题，大家集思广益、出谋划策，力求在最短的时间里排除困难解决问题赶上进度。也正是在这样的环境下，团队的每个成员配合的更为默契，更重要的是，大家学会了如何尊重他人的意见，怎样坚持正确的观点。研讨会上活跃的气氛，每人开阔的视野，新奇的想法让我们初步感受到科学研讨的氛围，也让我们这群习惯于各自为战的人感受到团体的巨大力量，学会了一起合作、分享、研讨。 - 7 - 8