CN110588904B - 水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人船领域，具体指一种能收集水面微塑料及水藻兼跌水曝气一体化的太阳能无人船。小船采用太阳能板以及锂电池混合供电，提升了小船的续航能力，船体梭形设计增强了运行稳定性。小船能在水体中自动巡航，具有红外避障功能以及GPS实时定位功能，通过浊度传感器对水体浊度进行检测并利用算法控制船体转向以及速度，规划出最佳航行路线，通过蓝牙模块及时地反馈相关的数据，当船内垃圾收集满后，小船能通过GSM模块发送提醒信息给工作人员，工作人员到现场后切换为手动模式控制小船回航即可。本发明通用性强、方便经济，能对水体中的微塑料及水藻进行初步的分离处理，同时通过跌水曝气提高水体溶氧量，达到净化水体的效果。

Description

水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船

技术领域

本发明涉及无人船领域，具体指一种能收集水面微塑料及水藻兼跌水曝气一体化的太阳能无人船。

背景技术

微塑料(Microplastics)是指直径不大于5mm的塑料微粒。2015年，UNEP2将海洋微塑料列入环境与生态科学研究领域第二大科学问题，并与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列成为全球科学家共同关注的重大全球环境问题。如今海洋中塑料与浮游生物比例为1:2，如果不加限制，2050年塑料的重量将超过鱼类。微塑料最终会通过食物链流入人体，危害整个人类的健康。由此可见微塑料污染之严重，微塑料问题成为亟待解决的问题。

水体富营养化（eutrophication）是指水中氮、磷、钾等元素含量过度增多，导致蓝藻等藻类及浮游动物等水体微生物呈恶性暴发式生长，并进一步使水体质量急剧下降的污染现象。目前，由蓝藻爆发而造成的水华污染现象时常发生，严重影响了水质环境和生态安全。因此，有效去除水中藻体是保障水质的重要手段之一。

目前水体中微塑料样品采集一般是使用一种简易网袋来实现，这种网袋需要一定的孔径，放置在水流方向上，用于采集富集水中的微塑料颗粒，根据微塑料颗粒的量来确定水体中微塑料的含量。但是这种网袋都是固定孔径的单一网袋，如同浮游生物扑集装置，只能采集粒径大于网袋孔径的全部微粒物质，不能将微粒物质进行分级筛选，因而也就不能及时的检测出水中不同粒径的微塑料颗粒的含量，回收和使用也比较麻烦。

目前，一般采用生物降解技术或者人工打捞来治理水藻，采用生物降解的方式消耗量较大，所用微生物种类多且不可重复利用。而人工作业机械除藻存在人力耗费多、自动化控制程度低、覆盖面不广、效果不显著等问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种用于保护水体的微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

本发明所述的微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，包括船体，所述船体上分别安装了太阳能及锂电池混合供电装置、控制及驱动装置、浊度检测装置、微塑料及水藻清理装置。

根据以上方案，所述的微塑料及水藻清理装置包括综合处理舱和垃圾收集箱；所述的综合处理舱包括圆筒形外壳、水泵、多重ABS树脂斜面、传送履带、带网孔的隔板；所述的圆筒形外壳，前端敞开，尾端设有密封的半球形罩壳，固定在船体两侧；所述的带网孔的隔板，嵌入圆筒形外壳中，将其分为上下两个部分；所述的水泵，安装在半球形罩壳位置，水泵吸水口位于所述的下部分，水泵吸水口处安装有漏斗；所述的多重ABS树脂斜面，依次固定在水泵管道出水口下方，斜面上安装有粗滤网；所述的传送履带通过支架将履带一端固定在隔板上，另一端固定在船体上，上面安装有第二层过滤网，滤网孔径小于斜面上滤网的孔径；所述垃圾收集箱位于船体内；

根据以上方案，所述的浊度检测装置包括舵机、浊度传感器，所述舵机安装在船头；

根据以上方案，所述的控制及驱动装置包括微处理器控制模块、GPS模块、蓝牙模块、GSM模块、红外避障模块、舵机、四个电机、推进浆，所述的微处理器控制模块连接GPS模块、GSM模块、蓝牙模块、红外避障模块、四个电机，所述的四个电机有两个用于持续地带动传送履带旋转，另外两个电机与推进浆相连，所述的推进浆安装在船体尾部；

根据以上方案，所述的太阳能及锂电池混合供电装置包括两块太阳能光伏板、可充电锂电池、稳压装置，所述的太阳能光伏板采用交互滑动式结构安装在船体正上方，由轻质钢架支座支撑；所述的可充电锂电池安装在船体内部，输出端分别连接水泵、电机、微处理器控制模块。

优选地，所述的微处理器控制模块分为一号微控制器和二号微控制器，所诉的一号微控制器连接GPS模块、GSM模块、蓝牙模块、舵机、浊度传感器；所述的二号微控制器连接红外避障模块、四个电机；

优选地，所述综合处理舱的圆筒形外壳以及带网孔的隔板采用有机玻璃。

优选地，所述电机的型号为L298N。

优选地，所述一号微控制器为STM32单片机，所述二号微控制器为51单片机。

优选地，所述船体采用仿生学设计，前尖后宽，类似梭形的结构。

本发明的有益效果是：本发明采用太阳能光伏板和锂电池为船体混合供电，基于浊度分析的智能优化算法规划最佳航行路线，可减少水域扫描盲区并具有自动避障功能。当垃圾收集完成或出现故障，小船可通过蓝牙无线通信模块自动发送提醒信息给用户。本作品克服了人工作业机械除藻、除微塑料存在的人力耗费多，自动化控制程度低，覆盖面不广，效果不显著等问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的结构正视图。

图3是本发明的部分结构侧视图。

图4是本发明的综合处理舱结构示意图。

图5是本发明的原理图。

图6是本发明的控制部分原理图。

附图明细如下：船体（1），太阳能及锂电池混合供电装置（2），控制及驱动装置（3），浊度检测装置（4），微塑料及水藻清理装置（5），综合处理舱（51），垃圾收集箱（52），综合处理舱（51），圆筒形外壳（511），水泵（512），多重ABS树脂斜面（513），传送履带（514），带网孔的隔板（515），舵机（41），浊度传感器（42），微处理器控制模块（31），GSM模块（32），GPS模块（33），蓝牙模块（34），红外避障模块（35），舵机（41），四个电机（36），推进浆（37），太阳能光伏板（21），可充电锂电池（22），交互滑动式结构（23），轻质钢架支座（24）。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至图6所示，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，包括船体（1），所述船体（1）上分别安装了太阳能及锂电池混合供电装置（2），控制及驱动装置（3），浊度检测装置（4），微塑料及水藻清理装置（5）。

所述的微塑料及水藻清理装置（5）包括综合处理舱（51）和垃圾收集箱（52），综合处理舱（51）包括圆筒形外壳（511）、水泵（512）、多重ABS树脂斜面（513）、传送履带（514）、带网孔的隔板（515），所述的圆筒形外壳（511），前端敞开，圆筒直径160mm，圆弧半径80mm，圆柱长度为200mm，圆形大开口设计可以容纳更多水体流入，提高装置效率。尾端设有密封的塑料半球形罩壳，固定在船体（1）的两侧；所述的带网孔的隔板（515），嵌入圆筒形外壳（511）中，将其分为上下两个部分，确保两部分在运转时互不干扰；所述的水泵（512），安装在半球形罩壳位置，水泵（512）吸水口位于所述的下部分，水泵（512）吸水口处安装有漏斗，通过船的浮力控制使水面高度保持在下部分1/2处，确保水泵（512）吸水口始终位于水面下，同时水泵（512）入口处的滤网使得吸入的水流不会含有泥沙、石子等大块状物体，保护水泵（512）的正常工作状态，水泵（512）的扬水功能增加了水的重力势能，为后一步滤网功能做铺垫；

所述的多重ABS树脂斜面（513），依次安装在水泵（512）管道出水口下方，为待处理水提供更大的向下动力，加快处理速率，第二层斜面增加了长度，确保能有效吸附微塑料，并使吸附效率大大提升；所述的带网孔的隔板（515）将水流分离成一粒粒的小水滴，增加了水与空气的接触面积，在下落过程中将空气更多的带入水中，实现曝气富氧功能；所述垃圾收集箱（52）安装在船体（1）内；传送履带（514）连通综合处理舱（51）和垃圾收集箱（52），在船两侧小口的上边缘安装有横刷树脂，滤网上的吸附物会被船内壁相对于滤网相切面处的毛刷清扫，实现滤网循环使用。

根据以上方案，所述的浊度检测装置（4）包括舵机（41）、浊度传感器（42），所述舵机（41）安装在船头；

所述的控制及驱动装置（3）包括微处理器控制模块（31）、GSM模块（32）、GPS模块（33）、蓝牙模块（34）、红外避障模块（35）、舵机（41）、四个电机（36）、推进浆（37），所述的微处理器控制模块（31）连接GPS模块（33）、GSM模块（32）、蓝牙模块（34）、红外避障模块（35）、四个电机（36）；所述的四个电机（36）有两个用于持续地带动传送履带（514）旋转，另外两个电机（36）与推进浆（37）相连；所述的推进浆（37）分别安装在船体（1）尾部。电器部分采用自动控制及手动控制两种模式，可以通过红外遥控器进行工作模式切换。

所述的太阳能及锂电池混合供电装置（2）包括两块太阳能光伏板（21）、可充电锂电池（22），所述的太阳能光伏板（21）采用交互滑动式结构（23）安装在船体（1）正上方，由轻质钢架支座（24）支撑；所述的可充电锂电池（22）安装在船体（1）内部，输出端分别连接水泵（512）、电机（36）、微处理器控制模块（31）；通过太阳能光伏板（21）、可充电锂电池（22）为所有电器部分提供电源，维持电机（36）的驱动，维持船内各模块及机械结构的正常运转。

该无人船有以下两种工作模式：

自动控制模式：通过太阳能和蓄电池实现不间断供电为所有电器部分提供电源，以维持电机（36）的驱动，维持船内各模块及机械结构的正常运转，船上的浊度传感器（42）探头相当于小船的“眼睛”，通过对前方一定距离水域浊度数据的检测及分析，利用算法智能控制船体转向以及速度，规划小船的最佳航行路线。同时通过红外避障模块（35）避开水表的大型悬浮物，防止与其相撞。利用了GSM模块（32）以及GPS模块（33）实现对船的位置、目标水域水质状态以及收集仓垃圾储量进行实时监测，并采用zigbee组网进行数据的传输。

手动控制模式：在小船收集满垃圾后，自动向工作人员发送提醒信息来回收小船，此时工作人员能通过GPS定位装置找到小船并进行红外遥控控制小船回航，实现对小船上水藻以及微塑料的回收处理。遥控器内有着开启、关闭按钮，按下开即可进入手动控制模式，遥控器内的转向和加减速按键以操作小船转向，对小船进行加减速调节。而0、1按钮信号输入，类似数字电路利用产生PWM方波，对小船实现精确控速。

所述圆筒形外壳（511）可采用有机玻璃，具有美观、耐腐蚀、易清洁的优点。

所述船体（1）采用仿生学设计，增加飘浮板提高船体（1）载重能力，前尖后宽，类似梭形的结构，船头能有效减少船体（1）在水中行进阻力。

本发明的工作原理为：将水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船投放到工作水域后，由微处理器控制模块（31）控制，通过太阳能及锂电池混合供电装置（2）供电，电机（36）带动推进桨（37）、传送履带（514）旋转，利用算法智能控制船体转向以及速度，规划小船的工作路线，可以无重复覆盖整个工作水域；水流被水泵吸（512）入进综合处理舱（51），进行微塑料及水藻清理的工艺流程，之后通过传送履带（514）把滤网上的微塑料及水藻送入位于船体内的垃圾收集箱（52）中，最后水流通过带网孔的隔板（515）分离成一粒粒的小水滴跌落水中，这过程增加了水和空气的接触面积，对水体进行富氧处理。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，包括船体(1)，其特征在于：所述的船体(1)上分别安装了太阳能及锂电池混合供电装置(2)，控制及驱动装置(3)，浊度检测装置(4)，微塑料及水藻清理装置(5)；

所述的微塑料及水藻清理装置(5)包括综合处理舱(51)和垃圾收集箱(52)，所述的综合处理舱(51)包括圆筒形外壳(511)、水泵(512)、多重ABS树脂斜面(513)、传送履带(514)、带网孔的隔板(515)，漏斗(516)，所述的圆筒形外壳(511)，前端敞开，尾端设有密封的半球形罩壳，固定在船体(1)的两侧，所述的网孔的隔板(515)，嵌入圆筒形外壳(511)中，将其分为上下两个部分，所述的水泵(512)，安装在半球形罩壳位置，水泵(512)吸水口位于所述的下部分，吸水口处安装有漏斗(516)，所述的多重ABS树脂斜面(513)，依次固定在水泵(512)管道出水口下方，斜面上安装有粗滤网，第二层斜面增加了长度；所述的传送履带(514)通过支架将履带一端固定在隔板上，另一端固定在船体(1)上，上面安装有第二层过滤网，滤网孔径小于斜面上滤网的孔径，所述的垃圾收集箱位于船体(1)内；在船两侧小口的上边缘安装有横刷树脂，滤网上的吸附物会被船内壁相对于滤网相切面处的毛刷清扫，实现滤网循环使用；

所述的浊度检测装置(4)包括舵机(41)、浊度传感器(42)，所述舵机(41)安装在船头；

所述的控制及驱动装置(3)包括微处理器控制模块(31)、GSM模块(32)、GPS模块(33)、蓝牙模块(34)、红外避障模块(35)、舵机(41)、四个电机(36)、推进浆(37)，所述的微处理器控制模块(31)连接GPS模块(33)、(3SM模块(32)、蓝牙模块(34)、红外避障模块(35)、四个电机(36)，所述的四个电机(36)有两个用于持续地带动传送履带(514)旋转，另外两个电机(36)与推进浆(37)相连，所述的推进浆(37)安装在船体尾部；

所述的太阳能及锂电池混合供电装置(2)包括两块太阳能光伏板(21)、可充电锂电池(22)，所述的太阳能光伏板(21)采用交互滑动式结构(23)安装在船体(1)正上方，由轻质钢架支座(24)支撑，所述的可充电锂电池(22)安装在船体(1)内部，输出端分别连接水泵(512)、电机(36)、微处理器控制模块(31)；

所述无人船具有两种工作模式：

自动控制模式：通过太阳能和蓄电池实现不间断供电为所有电器部分提供电源，以维持电机(36)的驱动，维持船内各模块及机械结构的正常运转，船上的浊度传感器(42)探头相当于小船的“眼睛”，通过对前方一定距离水域浊度数据的检测及分析，利用算法智能控制船体转向以及速度，规划小船的最佳航行路线；同时通过红外避障模块(35)避开水表的大型悬浮物，防止与其相撞；

手动控制模式：在小船收集满垃圾后，自动向工作人员发送提醒信息来回收小船，工作人员能通过GPS定位装置找到小船并进行红外遥控控制小船回航，实现对小船上水藻以及微塑料的回收处理。

2.根据权利要求1所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述的微处理器控制模块(31)分为一号微控制器和二号微控制器，所诉的一号微控制器连接GPS模块(33)、GSM模块(32)、蓝牙模块(34)、舵机(41)、浊度传感器(42)，所述的二号微控制器连接红外避障模块(35)、四个电机(36)。

3.根据权利要求1所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述综合处理舱(51)的圆筒形外壳(511)以及带网孔的隔板(515)采用有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述电机(36)的型号为L298N。

5.根据权利要求2所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述一号微控制器为STM32单片机，所述二号微控制器为51单片机。

6.根据权利要求1所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述船体(1)采用仿生学设计，前尖后宽，类似梭形的结构。

7.根据权利要求1所述的水体微塑料及水藻收集兼跌水曝气一体化太阳能无人船，其特征在于，所述的太阳能光伏板(21)采用交互滑动式结构(23)安装在船体(1)正上方。

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