CN110904933A - 一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及ROV技术，特别涉及一种用于处理水体表层垃圾的水下机器人，通过若干系统的配合，完成对水体表层各种固体垃圾的收集处理。包括架体、安装在所述架体上的采集体和安装在所述采集体下面的控制室；所述架体上设置有浮力装置、动力装置；所述采集体设置有抽滤装置。本发明具有改装灵活，清理效率高，清理质量良好，节能环保的优点。

Description

一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人

技术领域

本发明涉及ROV技术，特别涉及一种应用于码头，港口，景观湖，近海等地用于收集水体表层垃圾的水下机器人。

背景技术

我国水环境面临着水体污染，水资源短缺和洪涝灾害等多方面压力，水体污染更是加剧了水资源短缺。水环境问题产生的原因是多方面的，但主要还是人类主观因素的影响。在水体漂浮塑料垃圾采集方面，国内这方面的研究更多的集中在水质改良，对于纯固态塑料垃圾的采集，目前鲜有文献提及。我国对海洋的重视远不如其他国家早，海洋上的垃圾不能进行回收，必将成为我国海洋事业发展的掣肘，为保障我国海洋事业的发展，有需要也有必要开展此类研究以丰富我国关于海洋的技术。

对于这些水体表层垃圾，如不进行清理，会对水体造成严重的污染，危害水生态环境。针对这此类垃圾，目前采取的普遍措施是对其进行人工打捞和机械打捞。

目前的打捞方法主要以人工打捞为主，不仅工作效率低，还需要大量的打捞人员，耗时耗力，成本非常高。鉴于此，部分地区采用了机械打捞，比如在船体的两侧架设打捞垃圾用的网，在船只行驶过程中对河、湖中漂浮的垃圾进行打捞作业。这种方法虽然提高的工作效率，减少了打捞人员，但是也有着不能克服的弊端：一是占用空间大，在一些非常狭小的水域，由于打捞船较为笨重，无法对这些区域内的水体表层垃圾进行收集处理，而这些狭小的水域，恰恰是垃圾集中的地方；二是垃圾收集效果粗糙，只能收集一些较大的水体垃圾，对于那些较小的水体垃圾，则无能为力，此类垃圾极易从捞网内漂出，对水体造成二次污染；三是无法全天持续收集垃圾，只能在垃圾积累到一定量的时候才能收集，不能始终保持水体干净清洁；四是收集方式受限，只是主动的去寻找水体垃圾，无法将它们先聚集到一处进行集中收集，效率不是很高。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，本发明提出一种用于处理水体表层垃圾的水下机器人，通过若干系统的配合，完成对水体表层各种固体垃圾的收集处理。本发明具有改装灵活，清理效率高，清理质量良好，节能环保的优点。

本发明为所要解决的技术问题，实现上述目的提出的技术方案为：一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，包括架体、安装在所述架体上的采集体和安装在所述采集体下面的控制室；所述架体上设置有浮力装置、动力装置；所述采集体设置有抽滤装置；所述控制室设置有控制装置、供电装置、无线电通讯装置；所述浮力装置包括设置在所述架体上的可以调节吃水深度的三个柱状浮子、设置在所述柱状浮子上用于安装所述动力装置的底座；所述动力装置包括设置在所述柱状浮子上的喷射泵、与所述喷射泵连接的无刷电机、与所述无刷电机连接的电调和固定在所述底座上的步进电机；所述抽滤装置包括安装在所述采集体内部的滤网，与所述喷射泵相连接的胶皮水管；所述供电装置包括设置在控制室内的电源；所述控制装置包括安装在控制室内的中央控制器，和与所述中央控制器相连接的控制器电台通讯设备；所述无线电通讯装置包括与所述控制器电台通讯设备相连接的机载电台通讯设备，所述机载电台通讯设备上设置有电台通讯天线。

所述控制室上设置有密封舱门，方便操作人员完成控制室内部的各项操作。

所述中央控制器为控制机载电台通讯设备，喷射泵，无刷电机，步进电机的单片机。

所述船载电台通讯设备通过所述电台通讯天线连接至地面电台通讯设备，所述地面电台通讯设备连接地面控制设备。

所述电源采用充电式大容量蓄电池。

所述采集体上设置有出水阀门，所述出水阀门内有不锈钢细孔金属网，并且所述出水阀门与所述胶皮水管相连接。

所述采集体外缘设置有中空管道，所述中空管道内部固定有所述胶皮水管。

本发明的有益效果是：

一、体积小。本发明可以在非常狭小的水域对水体表层垃圾进行收集处理。

二、运动灵活。本发明可以通过对步进电机和喷射泵的控制，根据水体地形情况灵活地改变喷射泵的角位移和扬程，使本发明向各个方向运动，便于处理位于水体死角的漂浮垃圾。

三、装置浮力可调。由于不同的水域水体密度存在差异，使同一装置在不同水体所处深度不同，影响工作效率，本发明的所述架体可以控制浮力，完美地解决了此问题。

四、设计巧妙，节能环保。本发明巧妙地运用了喷射泵，使喷射泵不仅能为本发明行进提供动力，而且还为垃圾自己进入采集体提供了动力，一举两得，节能环保。

五、有两种工作模式。一是可以定点式收集垃圾，收集区域内新出现的垃圾可以及时的被吸入采集体内，时时刻刻保持水域干净清洁；二是巡航式收集垃圾，本发明可以在操作人员手动操作下或者自动控制下在更大区域内收集垃圾。

六、密封性良好。能有效防止所述控制室内核心设备进水，避免其被水损坏。

附图说明

图1：本发明一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人：

(a)左视图；(b)滤网；

图2：本发明一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人的俯视图；

图3：本发明一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人的连接示意图；

图4：本发明一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人的程序关系示意图；

附图标注：1、无刷电机(带有电调)；2、步进电机；3、柱状浮子；4、喷射泵；5、胶皮水管；6、电台通讯天线；7、机载电台通讯设备；8、架体；9、控制室；10、控制器电台通讯设备；11、中央控制器；12、充电式电源；13、采集体；14、控制室舱门；15、出水阀门；16、滤网；17、地面电台通讯设备；18、地面控制设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1与图2，一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，包括悬浮在水体表面的架体8，夹套在所述架体8上的采集体13，以及安装在所述采集体13底部的控制室9。

所述架体8上设置有浮力装置，动力装置；所述采集体13上安装有抽滤装置；所述控制室9内部安装有控制装置、供电装置、无线电通讯装置。此外，所述控制室9底部设置有控制室舱门14，所述控制室舱门14密封性良好，便于操作人员对所述控制室9内各装置进行软件更新、设备维修等操作。

所述浮力装置包括设置在所述架体8上的三个柱状浮子3，所述柱状浮子3采用轻质材料。操作人员可以通过拧动所述柱状浮子3来调节其在所述架体8上的固定位置，以此方式来调节整套装置的重心位置和吃水深度，使其正常工作。

所述动力装置包括安装在所述柱状浮子3上的步进电机2、与所述步进电机2相连接的喷射泵4、连接在所述喷射泵4尾部的无刷电机(带有电调)1。所述动力装置共有三套，分别安装在三个所述柱状浮子3上。所述喷射泵4通过喷射水流形成反作用力，并由所述步进电机2和所述无刷电机(带有电调)1改变其角位移和扬程，借此改变三股水流的强度和方向。三套所述动力装置相互协调工作，借水流提供的反作用力进行灵活的运动。

所述抽滤装置包括胶皮水管5、出水阀门15、滤网16。所述胶皮水管5用于连接所述喷射泵4和所述出水阀门15，使所述喷射泵4抽出流进所述采集体13内部的水；所述出水阀门15安装在所述采集体13的底部，通过不锈钢细孔金属网隔开所述采集体13的内部和外部；所述滤网16可以置于在所述采集体13内部，用来过滤流入所述采集体13内部的水，收集流水携带的水体表层垃圾，一旦垃圾集满，可将所述滤网16提离，倒掉垃圾即可再次使用。

所述控制装置包括安装在所述控制室9内的中央控制器11。所述中央控制器11为连接步进电机2、无刷电机(带有电调)1、控制器电台通讯设备10、充电式电源12的单片机。所述中央控制器11安装了动力程序、自主航行程序和手动航行程序。其中动力程序包括角位移控制程序和速度控制程序两个子程序，分别控制装置在水中行进的速度和方向。自主航行程序和手动航行程序分别用于自动和手动控制动力程序，进而可以自动和手动控制装置的行进。所述中央控制器11具体实现方式如下：上述程序均安装于Arduino板中，Arduino板与pixhawk相连。pixhawk将Arduino板发出的电信号转化为占空比不同的PWM，进而控制装置在水中的自由行进，操作人员通过QGroundControl(地面站软件)控制Arduino板的具体程序运作。

所述供电装置包括充电式电源12，安装在所述采集体9内部。所述充电式电源12为大容量充电式电源，与各个用电装置相连接，同时为所述喷射泵4提供动力。

所述无线电通讯装置包括与所述控制器电台通讯设备10相连接的机载电台通讯设备7，所述机载电台通讯设备7上设置有电台通讯天线6；所机载电台通讯设备7通过所述电台通讯天线6连接至地面电台通讯设备17，所述地面电台通讯设备17连接至地面控制设备18。

本发明中，所述控制室9为中空的结构，并将中空的结构依据不同的设备安装不同的设备舱，各设备舱之间都是密封的空间，既有利于各个设备的管理，又有利于设备的保护。所述控制室9的密封空间由控制室舱门14实现，既有利于操作人员对控制室9内各个设备的安装、更新、维护，又有利于防止外部的水进入控制室9内。所述控制室9采用特质材料制成，这些材料强度大，可以更好的保护控制室内搭载的各种设备，并且防水性好，可以充分的保障设备的安全。

本发明中，所述中央控制器11、步进电机2、喷射泵4、无刷电机(带有电调)1、控制器电台通讯设备10、机载电台通讯设备7都与所述充电式电源12形成回路。所述地面控制设备18通过机载电台通讯设备7和控制器电台通讯设备10与中央控制器11进行数据传输，所述中央控制器11通过机载电台通讯设备7接受地面电台通讯设备17发出的指令，进而对其他装置进行控制。所述无刷电机(带有电调)1、喷射泵4、步进电机2通过中央控制器11内的各程序实现对水下机器人行进的手动或全自动控制。

本发明的通讯流程是：操作人员通过地面控制设备18和地面电台通讯设备17发送出航行指令和加密测量任务；所述采集体13上的机载电台通讯设备7接收到地面发出的指令，再传输给控制器电台通讯设备10，控制器电台通讯设备10再把指令传输给中央控制器11；中央控制器11接收到操作人员的指令后再通过控制器电台通讯设备10和机载电台通讯设备7把此时水下机器人的运动状态传输给地面控制设备18(如图3所示)。

本发明对水体表层垃圾的具体收集流程是：操作人员首先需要根据作业水域密度情况调节三个柱状浮子3在架体8上的固定位置，以此来改变柱状浮子3在作业水域中的吃水深度，确保采集体13顶端在作业状态刚好位于水面以下2到3公分处，使携带着水体表层垃圾的表层水自然流入到所述采集体13中。上述操作完成后，操作人员再根据上述通讯流程操作本水下机器人，通过改变所述喷射泵4的功率确保所述采集体13中的水及时排出，使垃圾留在滤网16中。此外，操作人员可以根据具体情况操作水下机器人，使其进行自旋式运动或者定向运动，完成对水体表层垃圾的定点持续收集或者巡航式收集，等垃圾收集满后，及时更换滤网即可。

Claims (7)

1.一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，包括架体、安装在所述架体上的采集体和安装在所述采集体下面的控制室，其特征在于，所述架体上设置有浮力装置、动力装置；所述采集体设置有抽滤装置；所述控制室设置有控制装置、供电装置、无线电通讯装置；

所述浮力装置包括设置在所述架体上的用于调节吃水深度的三个柱状浮子、设置在所述柱状浮子上用于安装所述动力装置的底座；

所述动力装置包括设置在所述柱状浮子上的喷射泵、与所述喷射泵连接的无刷电机、与所述无刷电机连接的电调和固定在所述底座上的步进电机；

所述抽滤装置包括安装在所述采集体内部的滤网，与所述喷射泵相连接的胶皮水管；所述供电装置包括设置在控制室内的电源；

所述控制装置包括安装在控制室内的中央控制器，和与所述中央控制器相连接的控制器电台通讯设备；

所述无线电通讯装置包括与所述控制器电台通讯设备相连接的机载电台通讯设备，所述机载电台通讯设备上设置有电台通讯天线。

2.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述控制室上设置有密封舱门，方便操作人员完成控制室内部的各项操作。

3.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述中央控制器为控制机载电台通讯设备，喷射泵，无刷电机，步进电机的单片机。

4.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述船载电台通讯设备通过所述电台通讯天线连接至地面电台通讯设备，所述地面电台通讯设备连接地面控制设备。

5.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述电源采用充电式大容量蓄电池。

6.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述采集体上设置有出水阀门，所述出水阀门内有不锈钢细孔金属网，并且所述出水阀门与所述胶皮水管相连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于收集水体表层垃圾的水下机器人，其特征在于，所述采集体外缘设置有中空管道，所述中空管道内部固定有所述胶皮水管。

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