CN108058790A - 一种水上垃圾清理无人船 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种水上垃圾清理无人船。清理垃圾的无人船采用稳定的双船体结构，其中垃圾打捞装置包括三叶扇轮、勺斗型链式传送装置、自动喷气装置和垃圾收集箱。分为三种工作模式：随机作业模式、半自主作业模式、紧急模式。其中设计的自动喷气装置能够随着打捞的进行自动喷气，吹动吸附在带孔勺斗型不锈钢网板和耙钉上的垃圾，使其自然垂直下落至垃圾收集箱，动能由电机的附加值能量提供，节能环保。
Description
技术领域
本发明属于水上无人船领域，具体而言，涉及一种水上垃圾清理无人船。
背景技术
随着生活水平的提高，政府建设的越来越多的公园供人们休闲娱乐，相应的也带来了一些问题。公园里的湖水、景区内的人工水池或者是河流等水面区域都会有垃圾产生，垃圾会造成水体污染和影响市容，如何有效锁定、清理污染源已迫在眉睫。目前，大多数时候都是采用人工打捞。水域面积大，水面环境复杂，人工垃圾清洁是一项繁重、效率低下的工作。加上水面作业都会具有一定的危险性，会对人员的生命安全造成威胁。另外，市场上的垃圾清理无人船在运输时特别麻烦，太小的船无法满足打捞重量、续航等要求，太大的船只能用人工搬运，费时费力，清理水面垃圾时，只能做到人工岸边遥控船的行驶，如同人眼看到物体，进行打捞，无法做到对一个新水域的地图构建、自主导航，没有人机交互的按设定航线航行，无法做到规划路径、远程监控等多功能为一体的水面无人船。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可自主巡航、自主避障、远程监控、路径规划、遥控辅助等多功能的水上垃圾清理无人船。本发明的技术方案如下：
一种水上垃圾清理无人船，包括船体及动力装置，其还包括垃圾打捞装置、自主导航系统、人机交互系统；其中，所述垃圾打捞装置包括三叶扇轮、勺斗型链式传送装置、自动喷气装置和垃圾收集箱，其中三叶扇轮用于拍动垃圾至打捞装置的宽度范围内，所述勺斗型链式传送装置用于传输垃圾，所述自动喷气装置用于自动喷气，吹动吸附在网孔板上的垃圾，斜方型垃圾收集箱用于装载垃圾；自主导航系统，依靠各种传感器来获取周围环境的信息，用于规划安全路径；人机交互系统，用于远程视频监控、遥控辅助、上位机与垃圾清理无人船的数据交互。
进一步的，所述勺斗型链式传送装置包括外侧对称固定不锈钢钢架、带孔勺斗型不锈钢网板、耙钉、2分04C单排带耳链条、直流减速电机及支架、直线光轴、2分20齿主动链轮、2分20齿从动链轮、立式轴承、菱形轴承、带螺丝孔的从动链轮；所述两侧对称固定钢架的横杆分别放置两个立式轴承，对称固定钢架的斜杆分别放置两个菱形轴承，用直线光分别穿过带螺丝孔的从动链轮和菱形轴承，从动链轮用由主动链轮通过单排链条机械连接驱动，在电机支架上的电机轴上加装主动链轮，通过链条与直线光轴上靠固定钢架外侧的从动链轮连接；耙钉安装在金属网板上，金属网板通过螺丝安装在单排带耳链条上。
进一步的，所述自动喷气装置分为两部分，动力转轴部分和活塞打气部分，动力转轴部分用于将圆周动能转化为趋于直线的动能，活塞打气部分用于周期性的喷出空气，其连接关系为动力转轴部分通过螺孔固定在一号光轴的末端，活塞打气部分通过螺孔固定在一号光轴中心位置，一号光轴的转动带动动力转轴的周期性运动，通过动力连接杆带动活塞打气的周期性运动，喷出气体，将吸附在带孔勺斗型不锈钢网板上无法自然下落的垃圾吹落下来掉至垃圾收集箱。
进一步的，所述动力转轴部分包括固定圆盘、圆盘支点A、活动杠杆1、节点B、活动杠杆2、支架支点B，其中圆盘中心O到节点B的垂直距离V(OB)、圆盘中心O到节点B的水平距离H(OB)、圆盘中心O到圆盘支点的距离L(OA)、活动杠杆1的长度L、活动杠杆2(503)的长度L(2)五者的比例关系为
V(OB):H(OB):L(OA):L(1):L(2)＝9.5:2:3.75:12.5:10
活塞打气部分为轴承E、轴承F分别固定在气箱的两侧，当电机转动带动一号光轴转动，轴承E、轴承F的内圈转动而轴承E、轴承F的外圈和气箱由于自身重力保持原位，气箱是活塞箱，随着动力连接杆做周期性的来回运动。
本发明的优点及有益效果如下：
首先,本发明的垃圾打捞装置比较新颖小巧、打捞快捷、制备方便，创造性的用三叶扇(304)轮增大收集面积，方形垃圾收集箱(303)减少水的阻力，实用性强，可以用带孔勺斗型不锈钢网板网孔板(407)可以收集长35厘米、直径15厘米的塑料瓶或者树叶等水面漂浮物。
同时,自动喷气装置是利用电机的动能带动的，喷出气体，将吸附在带孔勺斗型不锈钢网板(407)上无法自然下落的垃圾吹落下来掉至垃圾收集箱，在比例关系9.5:2:3.75:12.5:10的情况下，动力连接杆(507)所运动的路径趋于直线。
其次，将9个超声波探头放置于船体周围，每个单体船前方放置两个、侧面安装三个等距离的朝向相差20°的超声波探头，船尾主控平台下方安装一个超声波探头(204)，超声波传探头其测量距离为150厘米启动避障，超声波传探头其测量范围为[200厘米，350厘米]的区间用于遍历水域的岸边，控制船体沿着距离岸边或者障碍物200～350厘米的范围内运动，同时每隔50ms记录一组GPS坐标，最后形成一个危险区域和安全区域的地图，之后无人船就在安全区域航行。
再者，通过5.8G的无线传输装置将摄像头采集的画面传输到上位机软件，可实时监控船体周围环境。集成无线监控、远程遥控、自主导航、自主避障等多功能为一体的水上垃圾清理无人船。
本发明运用成熟的技术、简单的结构和巧妙的方法，可以自动地把其快速行进所到之处的水面漂浮物和半漂浮物打捞到船上，整个打捞过程无需人工参与，安全性非常好，效率大约是人工打捞的几百倍，可以用在小型湖泊的清理水面的垃圾，比如公园的内湖、水库需要打捞水面的塑料瓶、垃圾袋、树叶等，替代人力打捞，切实满足水污染防治行动计划的需求。而且自制方便、方便产业实用型、可重复性。本发明可全面提升我国内河水面保洁质量，使内河保洁逐步走上规范化、标准化、精细化方面迈出了重要的一步，也将结束目前完全靠人工的粗放式落后的作业模式，并大幅提高保洁效率，节省人力成本，也将为市容市貌整体形象改善和城市建设作出应有的贡献。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图右边部分示意图
图3是本发明的垃圾打捞装置整体结构示意图；
图4是本发明的勺斗型链式传送装置示意图；
图5是本发明的自动喷气装置示意图；
图6是本发明的远程监控平台示意图；
图7是本发明的作业算法流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明包括船体，在所述船体上采用稳定的双船体结构，如图1和图2所示，左船体202和右船体210采用流线型船身，并为推进器装置105预留了安装位置，套管调节锁栓205通过螺母固定在多形状钢制平台106的竖板102上可以调节固定碳纤维安装管206的高低。整个船体甲板上从船头至船尾分别放置垃圾打捞装置、两个大容量的60AH的可充电锂电池防水箱103、多形状钢制平台106、竖板102、碳纤维安装管206、防水电动马达105、主控箱210、GPS模块203、数传模块101、5.8模块208。船身四周9个超声波传感器和置于三叶扇轮上方保护杆的碰撞传感器，在左、右双体船上位于大螺母前方位的嵌于船身甲板的超声波安装框上各装置一个超声波探头，单体船侧面安装三个等距离的朝向相差20°的超声波安装框和超声波探头，船尾主控平台下方安装一个超声波安装框和超声波探头。其中，超声波传感器其测量范围为[200厘米，350厘米]的区间用于遍历水域的岸边，并每隔50毫秒记录一次经纬度坐标，最后形成水域四周岸边的地形图。
在图3中所示的为垃圾打捞装置整体结构，包括三叶扇轮304、勺斗型链式传送装置111、自动喷气装置402和垃圾收集箱303；三叶扇轮304通过大螺丝304和大螺母107固定在船前，并呈30°往外开，由电机驱动，左扇轮顺时针转动，右扇轮逆时针转动。
图4所示的勺斗型链式传送装置111固定在船体甲板上，电机302转动带动主动链轮509，主动链轮509通过链条驱动从动链条510转动，固定在链条上的勺斗型网孔板407随着链条的转动打捞。
图5位自动喷气装置402分为两部分，动力转轴部分和活塞打气部分，动力转轴部分用于将圆周动能转化为趋于直线的动能，活塞打气部分用于周期性的喷出空气，其连接关系为动力转轴部分通过螺孔固定在一号光轴401的末端，活塞打气部分通过螺孔固定在一号光轴401中心位置，一号光轴401的转动带动动力转轴的周期性运动，通过动力连接杆507带动活塞打气的周期性运动，喷出气体，将吸附在带孔勺斗型不锈钢网板407上无法自然下落的垃圾吹落下来掉至垃圾收集箱303。
图6所示的视频监控装置包括高清广角监控摄像头601、摄像头底座602、步进电机604及电机传动带605，通过加装一个小型步进电机604，用电机传动带605嵌套在相机底座602，以30°/秒的速度扫描周边环境，位于无人船顶部圆弧形平台上的监控摄像头601将采集的图片通过5.8G无线模块208发送至地面站。
如图7所示，水面垃圾清理无人船分为三种工作模式：随机作业模式、半自主作业模式、紧急模式。启动开关后，系统自检，检查数传模块、GPS模块、无线遥控模块、超声波模块、5.8G模块是否正常工作；当自检失败，蜂鸣器会报警，当一切工作正常时，视频远程监控会传回摄像头拍摄的画面，同时，绿灯亮，等待30秒，GPS模块的冷启动需要29秒，接收到GPS坐标后会回传地面站数据；当30秒之内接收到遥控指令，就会启动紧急模式；当30秒之内没有接收到遥控指令但接收到地面站传来的航点数据，垃圾清理无人船就会按照规划好的航线航行；当30秒之内没有接收到遥控指令和航点数据，则启动随机作业模式。随机作业模式通过保持超声波传感器其测量距离岸边为[200厘米，350厘米]的区间，并每隔50毫秒记录一次经纬度坐标，用于遍历水域的岸边，最后形成水域四周岸边的地形图，将水域分为安全区域和危险区域，水面垃圾清理无人船就会在安全区域内随机航行并打捞垃圾；当电池电量小于30％时，会启动返航模式。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种水上垃圾清理无人船，包括船体及动力装置，其特征在于，还包括垃圾打捞装置、自主导航系统、人机交互系统；其中，所述垃圾打捞装置包括三叶扇轮(304)、勺斗型链式传送装置(111)、自动喷气装置(402)和垃圾收集箱(303)，其中三叶扇轮(304)用于拍动垃圾至打捞装置的宽度范围内，所述勺斗型链式传送装置(111)用于传输垃圾，所述自动喷气装置(402)用于自动喷气，吹动吸附在网孔板(407)上的垃圾，斜方型垃圾收集箱(303)用于装载垃圾；自主导航系统，依靠各种传感器来获取周围环境的信息，用于规划安全路径；人机交互系统，用于远程视频监控、上位机与垃圾清理无人船的数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种水上垃圾清理无人船，其特征在于，所述勺斗型链式传送装置(111)包括外侧对称固定不锈钢钢架(409)、带孔勺斗型不锈钢网板(407)、耙钉(408)、2分04C单排带耳链条(404)、直流减速电机(302)及支架(508)、直线光轴(401)、2分20齿主动链轮(509)、2分20齿从动链轮(510)、立式轴承(301)、菱形轴承(405)、带螺丝孔的从动链轮(411)；所述两侧对称固定钢架(409)的横杆分别放置两个立式轴承(301)，对称固定钢架(409)的斜杆(403)分别放置两个菱形轴承(405)，用直线光轴(401)分别穿过带螺丝孔的从动链轮(411)和菱形轴承(405)，从动链轮(411)用由主动链轮通过单排链条机械连接驱动，在电机支架(508)上的电机轴上加装主动链轮(509)，通过链条与直线光轴上靠固定钢架外侧的从动链轮(510)连接；耙钉(408)安装在金属网板(407)上，金属网板(407)通过螺丝安装在单排带耳链条(404)上。
3.根据权利要求1或2所述的一种水上垃圾清理无人船，其特征在于，所述自动喷气装置(402)分为两部分，动力转轴部分和活塞打气部分，动力转轴部分用于将圆周动能转化为趋于直线的动能，活塞打气部分用于周期性的喷出空气，其连接关系为动力转轴部分通过螺孔固定在一号光轴(401)的末端，活塞打气部分通过螺孔固定在一号光轴(401)中心位置，一号光轴(401)的转动带动动力转轴的周期性运动，通过动力连接杆(507)带动活塞打气的周期性运动，喷出气体，将吸附在带孔勺斗型不锈钢网板(407)上无法自然下落的垃圾吹落下来掉至垃圾收集箱(303)。
4.根据权利要求3所述的一种水上垃圾清理无人船，其特征在于，所述动力转轴部分包括固定圆盘、圆盘支点A(506)、活动杠杆1(505)、节点B(504)、活动杠杆2(503)、支架支点B(502)，其中圆盘中心O(501)到节点B(504)的垂直距离V(OB)、圆盘中心O到节点B(504)的水平距离H(OB)、圆盘中心O(501)到圆盘支点的距离L(OA)、活动杠杆1(505)的长度L(1)、活动杠杆2(503)的长度L(2)五者的比例关系为
V(OB):H(OB):L(OA):L(1):L(2)＝9.5:2:3.75:12.5:10
活塞打气部分为轴承E(512)、轴承F(513)分别固定在气箱的两侧，当电机转动带动一号光轴(401)转动，轴承E(512)、轴承F(513)的内圈转动而轴承E(512)、轴承F(513)的外圈和气箱(511)由于自身重力保持原位，气箱(511)是活塞箱，随着动力连接杆(507)做周期性、趋于直线的来回运动。
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