CN113682439A - 一种基站对接式水面垃圾收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基站对接式水面垃圾收集装置，该收集装置包括基站和至少一个收集器，至少一个收集器能与基站对接；所述基站用于对垃圾进行集中存储和处理；所述收集器用于收集垃圾。该装置设置有基站接应模块，在一定程度上避免了传统水面塑料垃圾收集设备的位置和环境局限性，解决了垃圾收集数量少、效率低等问题。

Description

一种基站对接式水面垃圾收集装置

技术领域

本发明公开了一种基站对接式水面垃圾收集装置，涉及到河流及海洋垃圾处理设施及对接式基站。

背景技术

随着世界科技水平的飞速增长，人民的物质文化生活也越来越丰富，但快速增长的生产力也伴随着日益严重的环境污染问题，其中，以微塑料污染和白色垃圾污染为代表的河流及海洋的垃圾污染问题越来越受到社会各界人士的重视。

然而目前关于海洋垃圾回收清理的工作仍处于低效，不系统，不彻底的状态。如2019年四川装备智造国际博览会上展出的河宝“DF-H1”型水上清污机器人虽然解决了自主避障、智能识别、自动打捞的功能，但由于其收集容量小，仍存在效率过低，不能长时间工作的弊端。

此外，中国专利201720101568.1公开一种水面垃圾清理机，该清理机由控制模块、驱动模块、排水装置、浮力调节模块、电源模块、垃圾收集舱、感应装置，所述感应装置使用陀螺仪、垃圾扫描传感器，垃圾扫描传感器使用雷达扫描仪来检测垃圾，如此的结构设计需要不停地判断垃圾方向，且在垃圾少或水面波动的时候会存在误检，不能检测到相对水面较低的垃圾，如果扫描仪设置的过高则会受到海浪等环境影响，面对不同的垃圾分布情况，很难做到灵活有效的收集，垃圾在水面上的随机移动会造成该装置对垃圾清理的不彻底；此外其垃圾收集仓集满后需到岸边进行倾倒，会造成大量不必要人力物力的浪费，还有可能会出现搁浅等问题。

发明内容

针对目前水面垃圾污染刻不容缓的现状和现有设备的局限性，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基站对接式水面垃圾收集装置，该装置设置有基站接应模块，在一定程度上避免了传统水面塑料垃圾收集设备的位置和环境局限性，解决了垃圾收集数量少、效率低等问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，该收集装置包括基站和至少一个收集器，至少一个收集器能与基站对接；

所述基站用于对垃圾进行集中存储和处理；

所述收集器用于收集垃圾。

进一步地，所述收集器包括能源动力模块(3)、垃圾收集模块(4)、巡航定位模块(6)、反馈检测模块(7)、第一工作台(27)、第二工作台(32)、收集器单片机(17)；

所述能源动力模块(3)为整个收集器进行供电；

所述垃圾收集模块(4)用于对水面垃圾进行收集；

所述巡航定位模块用于收集器的巡航和定位；

所述反馈检测模块(7)用于对水域中的垃圾进行拍照与位置识别，并在收集器进入基站后进行收集框内垃圾的推出运动的驱动；

第一工作台(27)和第二工作台(32)结合支架构成长方体空心框架结构，第一工作台位于第二工作台上方，所述能源动力模块位于第一工作台(27)中部，垃圾收集模块(4)位于第二工作台的底部，反馈检测模块(7)安装在第二工作台上；

收集器单片机与能源动力模块(3)、垃圾收集模块(4)、巡航定位模块(6)、反馈检测模块(7)电连接；

所述基站包括定位对接摄像头(23)、自动升降门(24)、垃圾暂存仓(26)、基站单片机，基站单片机与定位对接摄像头和自动升降门、基站定位模块电连接，同时基站单片机与收集器单片机(17)相互通讯。

上述的基站对接式水面垃圾收集装置，所述垃圾收集模块包括三刀排水桨(8)、大锥齿轮(9)、小锥齿轮(10)、上端轴承支座(11)、下端轴承支座(12)、低速直流电机(13)、电机支座(14)、收集筐(15)；在收集筐(15)的入口位置两侧对称设置有两个三刀排水桨(8)，每个三刀排水桨的两端分别与上端轴承支座(11)和下端轴承支座(12)转动连接，下端轴承支座(12)与收集筐(15)的下端边缘固定在一起，上端轴承支座(11)安装在第二工作台(32)的边缘上；上端轴承支座(11)上安装小锥齿轮(10)，所述大锥齿轮和低速直流电机(13)的输出轴同轴连接，且大锥齿轮(9)和小锥齿轮(10)相互啮合，低速直流电机(13)通过电机支座(14)固定在位于上端轴承支座(11)内侧的第二工作台(32)上；每个三刀排水桨由一个低速直流电机(13)驱动，低速直流电机(13)与能源动力模块(3)电连接，由能源动力模块(3)为其提供电能，收集筐(15)位于第二工作台(32)下方，两个对称的三刀排水桨(8)位于收集器开口处两侧，不会阻挡垃圾的吸入与排出；收集筐(15)内部安装有推板，所述推板的上部通过连接件与反馈检测模块中的移动部件连接，能在移动部件的带动下使推板在收集筐内由一端运动到另一端；

所述巡航定位模块包括两个推进器(31)和两个浮筒(30)、收集器定位模块，在每个浮筒的下方安装有推进器(31)，两个浮筒对称设置在收集筐两侧，且位于第二工作台(32)的下方，收集器定位模块和两个推进器(31)同时与收集器单片机(17)电连接；

所述反馈检测模块(7)位于第二工作台(32)前方正中央，包括识别摄像头(16)、丝杆直流电机支座(18)、丝杆直流电机(19)、阶梯式连接架(20)、滚珠丝杆后座(21)、型材滑轨底座(22)。

所述丝杆直流电机(19)的输出端穿过丝杆直流电机支座(18)连接丝杠一端，丝杠另一端通过滚珠丝杠后座(21)固定在第二工作台上，丝杠上安装有阶梯式连接架(20)，在丝杠上方固定安装有型材滑轨底座(22)，型材滑轨底座的两端分别与丝杆直流电机支座(18)和滚珠丝杠后座(21)的上部固定，阶梯式连接架(20)的下部穿过第二工作台上的长条开孔与收集筐内的推板连接，阶梯式连接架(20)能在丝杠的驱动下在型材滑轨底座上来回滑动，进而使得推板在收集筐内沿长条开孔的开孔方向前后移动，将收集筐内的垃圾推出；所述收集器单片机(17)和识别摄像头(16)均固定在丝杆直流电机(19)上，识别摄像头(16)和丝杆直流电机(19)同时与收集器单片机连接。

所述基站包括定位对接摄像头(23)、自动升降门(24)、垃圾暂存仓(26)、基站单片机、基站定位模块、红外传感器、报警器，基站单片机与定位对接摄像头和自动升降门、基站定位模块、红外传感器、报警器电连接，垃圾暂存仓内部顶端装有三组红外传感器，当垃圾收集满时，三组红外传感器同时反馈，基站单片机控制报警器发出报警提示，位于基站顶端的信号灯闪烁表示垃圾收集满，需要对基站进行集中清理；

收集器距离基站(2)500mm时，所述基站的自动升降门(24)打开，收集器完全进入基站(2)500mm后自动将垃圾推出，待收集器完全离开基站(2)后，自动升降门(24)关闭，垃圾暂存仓底部安装有环形浮筒为其提供浮力，所述基站安装有小型船锚以固定其在水面的某个位置，所述基站固定在距离最近岸边400m的区域。

所述收集筐一部分位于水面以下，一部分位于水面以上；在基站的前端开口处安装自动升降门(24)，在自动升降门(24)两侧设置“葫芦口型”的挡板，在收集器未将垃圾完全推入基站中的垃圾暂存仓，而自动升降门并未关闭的情况下，防止垃圾从基站口处离开基站。

一种基站对接式水面垃圾收集装置，该收集装置包括基站和收集器，该收集装置的工作过程分为三步，即垃圾收集模式判断、垃圾的识别收集和定位对接暂存：

垃圾收集模式判断：收集器对所管理水域通过识别摄像头进行定期拍照，获取工作水域的实时水面图像，确定工作水域面积，通过收集器单片机内的特征识别算法找到垃圾的分布位置，并确定垃圾密度，收集器单片机再根据垃圾密度和垃圾密度阈值的关系选择垃圾收集模式，为覆盖式巡航收集模式还是指向性反馈收集模式；

垃圾的识别收集：若垃圾密度大于垃圾密度阈值，则按照覆盖式巡航收集模式在工作水域进行工作，否则按照指向性反馈收集模式在工作水域进行工作；覆盖式巡航收集模式为先按照覆盖式路径规划算法运行，再执行指向性反馈收集，进行指向性的定点收集；指向性反馈收集模式为直接进行指向性反馈收集；

定位对接暂存：在完成垃圾的识别收集工作后，收集器单片机向基站单片机发送信号，进行收集器的定位工作，确定收集器和基站之间的相对位置；完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照定位工作时确定的收集器和基站之间的相对位置信息进行由收集器当前位置到基站当前位置的路径规划，能源动力模块为推进器提供动力，按照收集器当前位置到基站当前位置的规划路径，驱动收集器移动至基站处，收集器与基站对接后，将垃圾卸载后，再离开基站开始，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接。

所述特征识别算法的流程为：首先对水面背景进行模糊处理，将照片划分为64个大图像块，在每个大图像块中再划分64个小图像块，定义白色或偏白色小图像块总面积占大图像块面积的75％以上的特征为具有白色垃圾或类白色垃圾特征，将具有白色垃圾或类白色垃圾特征的大图像块进行突出化处理，此记为一个垃圾；然后建立笛卡尔坐标系，将突出化处理后的大图像块进行标注，并对所标注的大图像块位置进行计算和记录，获得实际的垃圾和收集器的相对位置；最后运用“垃圾密度＝工作水域中垃圾的垃圾个数/工作水域面积”的计算公式，计算出该工作区域内的垃圾密度，将所标注大图像块的位置和垃圾密度反馈给收集器单片机。

所述覆盖式路径规划算法是对整个工作水域内的垃圾按照以基站为中心的“回字形路线”进行收集，收集规则为从水域的一角处开始收集，第一圈走过水域的最边缘矩形，回到水域一角，第二圈及此后的收集路线矩形以边长的5％依次缩小；

所述反馈式路径规划算法是按照特征识别算法中确定的垃圾位置进行定点收集，收集规则为以基站或水域内的一点为起点，向距离最近的一个垃圾点运动，将最近处的垃圾收集，完成收集后，向下一最近位置处运动并收集下一最近位置处的垃圾，当完成所有定点的垃圾收集工作后，收集器回到初始位置待命或回到基站处排出垃圾。

收集器的定位过程与基站同收集器的对接过程为：在收集器单片机和基站单片机中分别设置有定位模块，通过两个定位模块的位置信息对比，能够计算出基站和收集器的相对位置，此过程即为收集器的定位过程；

在完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照利用计算好的相对位置信息进行路径规划，能源动力模块按照规划好的路径，驱动收集器运动至距基站500mm处，基站单片机控制自动升降门升起，开始对接；收集器进入基站后，第二工作台上的直流丝杆电机驱动收集筐中的推板将垃圾推出，当垃圾完全被推板推出收集筐后，收集器后退离开基站，当收集器完全离开基站后，自动升降门关闭，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接，此为基站同收集器的对接过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明装置可以通过设置基站和收集器的组合形式，能够在水域附近实现垃圾的集中管理，避免了现有技术中垃圾收集仓满后需要到岸边进行倾倒而导致的大量人力物力浪费的问题，也避免了搁浅现象发生，同时增加了收集器的灵活性，缩小了收集器的体积。

2)本发明装置中设置能源动力模块、垃圾收集模块、反馈检测模块、巡航定位模块和两个单片机，通过单片机相应的控制完成基站和收集器的对接、垃圾收集、倾倒等工作。本发明推广至适当水域使用，对于我国及世界日益严峻的海洋，河流及湖泊塑料垃圾污染有积极的作用，基站对接式水面垃圾收集装置具有重要的研究意义和广阔的应用前景。

3)本发明装置首先通过安装在收集器上的摄像头对海域进行拍照，通过收集器单片机对照片使用特征识别算法，将照片中水面上的垃圾进行特征提取，统计照片中垃圾的数量，计算水域中的垃圾密度，针对垃圾密集水域(垃圾密度大于等于2个/平方米)和垃圾稀少水域(垃圾密度小于2个/平方米)，所述垃圾密度的计算公式为：垃圾密度＝工作水域中垃圾的垃圾个数/工作水域面积，分别采取覆盖式巡航收集和指向性反馈收集两种收集模式进行合理收集，收集过程更加灵活。

附图说明

图1为本发明基站对接式水面垃圾收集装置中收集器的整体结构示意图；

图2为本发明中垃圾收集模块4的结构示意图；

图3为本发明中巡航定位模块和反馈检测模块的安装示意图；

图4为基站接应模块的结构示意图。

图中，1收集器、2基站、3能源动力模块、4垃圾收集模块、5圆柱筒、6巡航定位模块、7反馈检测模块、8三刀排水桨、9大锥齿轮、10小锥齿轮、11上端轴承支座、12下端轴承支座、13低速直流电机、14电机支座、15收集筐、16识别摄像头、17收集器单片机、18丝杆直流电机支座、19丝杆直流电机、20阶梯式连接架、21滚珠丝杆后座、22型材滑轨底座、23定位对接摄像头、24自动升降门、26垃圾暂存仓、27第一工作台、28蓄电池、29太阳能板、30浮筒、31推进器、32第二工作台。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

请参阅图1，本发明基站对接式水面垃圾收集装置包括基站和收集器，图1为基站对接式水面垃圾收集器的轴测图，包括能源动力模块3、垃圾收集模块4、巡航定位模块6、反馈检测模块7、第一工作台27、第二工作台32、收集器单片机17。

所述能源动力模块3包括太阳能板和蓄电池，由太阳能板和蓄电池两种方式为整个收集器进行供电，充分利用可再生能源，比单纯依靠蓄电池的垃圾收集设备更加节能环保。能源动力模块位于第一工作台27中部，其中蓄电池28和太阳能板29提供电力。

第一工作台27和第二工作台32结合支架构成长方体空心框架结构，在第一工作台上表面铺设太阳能板，在第一工作台和第二工作台之间固定蓄电池28。

所述垃圾收集模块4用于对水面垃圾进行收集，请参阅图2为垃圾收集模块的局部结构示意图，包括三刀排水桨8，大锥齿轮9，小锥齿轮10，上端轴承支座11，下端轴承支座12，低速直流电机13，电机支座14，收集筐15。在收集筐15的入口位置对称设置有两个三刀排水桨8，每个三刀排水桨的两端分别与上端轴承支座11和下端轴承支座12转动连接，下端轴承支座12与收集筐15的下端边缘固定在一起，上端轴承支座11安装在第二工作台32的边缘上，且上端轴承支座和下端轴承支座位于同一竖直直线上。上端轴承支座11上安装小锥齿轮10，所述大锥齿轮和低速直流电机13的输出轴同轴连接，且大锥齿轮9和小锥齿轮10相互啮合，低速直流电机13通过电机支座14固定在位于上端轴承支座11内侧的第二工作台32上。每个三刀排水桨由一个低速直流电机13驱动，低速直流电机13与能源动力模块3电连接，由能源动力模块3为其提供电能，收集筐15位于第二工作台32下方，两个对称的三刀排水桨8位于收集器开口处两侧，不会阻挡垃圾的吸入与排出。收集筐15内部安装有推板，所述推板的上部通过连接件与反馈检测模块中的移动部件连接，能在移动部件的带动下使推板在收集筐内由一端运动到另一端。所述推板的形状尺寸略小于收集筐的横截面积，且在移动过程中能保证将垃圾全部推出的前提下不会刮伤收集筐。所述移动部件可以为滚珠丝杠直线模组、滑块导轨结构等可以带动推板沿直线移动的机构。

所述巡航定位模块用于收集器的巡航和定位，所述巡航定位模块包括两个推进器31和两个浮筒30、收集器定位模块，所述浮筒为长800mm、直径为150mm的空心圆柱PVC筒，在每个浮筒的下方安装有推进器31，两个浮筒对称设置在收集筐两侧，且位于第二工作台32的下方，且浮筒的长度方向与收集筐的开口方向一致，收集器定位模块和两个推进器31同时与收集器单片机17电连接。

所述反馈检测模块7用于对水域中的垃圾进行拍照与位置识别，并在收集器进入基站后进行收集框内垃圾的推出运动的驱动，位于第二工作台32前方正中央。反馈检测模块7(参见图3)包括识别摄像头16，丝杆直流电机支座18，丝杆直流电机19，阶梯式连接架20，滚珠丝杆后座21，型材滑轨底座22。所述丝杆直流电机19的输出端穿过丝杆直流电机支座18连接丝杠一端，丝杠另一端通过滚珠丝杠后座21固定在第二工作台上，丝杠上安装有阶梯式连接架20，在丝杠上方固定安装有型材滑轨底座22，型材滑轨底座的两端分别与丝杆直流电机支座18和滚珠丝杠后座21的上部固定，阶梯式连接架20的下部穿过第二工作台上的长条开孔与收集筐内的推板连接，阶梯式连接架20能在丝杠的驱动下在型材滑轨底座上来回滑动，进而使得推板在收集筐内沿长条开孔的开孔方向前后移动，将收集筐内的垃圾推出。所述收集器单片机17和识别摄像头16均固定在丝杆直流电机19上，识别摄像头用于对水域进行拍照，识别水域中的垃圾所在位置，识别摄像头16和丝杆直流电机19同时与收集器单片机连接。

同时，创新性地采用了半浸入式的垃圾收集装置，半浸入是指通过控制浮筒中空气的体积使得收集筐一部分位于水面以下，一部分位于水面以上，相比于传统的非浸入式垃圾收集装置，能够更轻易地收集到垃圾，并能减小收集器的承重压力，增强收集器负载垃圾的能力，节约能源。

所述基站包括定位对接摄像头23、自动升降门24、垃圾暂存仓26、基站单片机、基站定位模块、红外传感器、报警器等。基站单片机与定位对接摄像头和自动升降门、基站定位模块、红外传感器、报警器电连接，同时基站单片机与收集器单片机17相互通讯。垃圾暂存仓内部顶端装有三组红外传感器，当垃圾收集满时，三组红外传感器同时反馈，基站单片机控制报警器发出报警提示，位于基站顶端的信号灯闪烁表示垃圾收集满，需要对基站进行集中清理。

通过收集器定位模块和基站定位模块能够实现收集器与基站的相对位置的计算和测量，如运用超声波速度与距离的乘积，测量和计算基站与收集器的相对位置；以及收集器在工作水域内的相对位置的计算与测量。

所述基站2的中心偏上部位设置有一个定位对接摄像头23，在基站的前端开口处安装横截面尺寸为1000mm*800mm的自动升降门24，在自动升降门24两侧设置“葫芦口型”的挡板，挡板的作用为在收集器未将垃圾完全推入基站中的垃圾暂存仓，而自动升降门并未关闭的情况下，防止垃圾从基站口处离开基站。垃圾暂存仓26整体容积为10m³，用于将收集器一次完整的工作后收集的垃圾进行储存，等待统一处理。

本发明一种基站对接式水面垃圾收集装置的工作过程分为三步，即垃圾收集模式判断、垃圾的识别收集和定位对接暂存：

首先，收集器对所管理水域通过识别摄像头进行定期拍照，获取工作水域的实时水面图像，确定工作水域面积，通过收集器单片机内的特征识别算法找到垃圾的分布位置，并确定垃圾密度，收集器单片机再根据垃圾密度有垃圾阈值的关系选择垃圾收集模式，为覆盖式巡航收集模式还是指向性反馈收集。本实施例中垃圾密度阈值设置为垃圾密度为2个/平方米，可以根据实际需求进行调整。

所述特征识别算法的流程及作用为：首先对水面背景进行模糊处理，将照片划分为64个大图像块，在每个大图像块中再划分64个小图像块，将具有白色垃圾或类白色垃圾特征(白色或偏白色小图像块总面积占大图像块面积的75％以上的特征)的大图像块进行突出化处理，此记为一个垃圾；然后建立笛卡尔坐标系，将突出化处理后的大图像块进行标注，并对所标注的大图像块位置进行计算和记录，将大图像块位置换算成实际的垃圾和收集器的相对位置；最后运用“垃圾密度＝工作水域中垃圾的垃圾个数/工作水域面积”的计算公式，计算出该工作区域内的垃圾密度，将所标注大图像块的位置和垃圾密度反馈给收集器单片机，由收集器单片机进行后续的路径规划等处理。该特征识别算法能够排除水面波浪等干扰因素对垃圾识别造成的负面影响，通过划分大图像块和小图像块的方式提高了垃圾识别的准确性及处理效率。

然后，在判断完收集模式后收集器开始在工作水域进行工作。若为覆盖式巡航收集模式，则通过识别摄像头和收集器单片机运行覆盖式路径规划算法，所述覆盖式路径规划算法是对整个工作水域内的垃圾按照以基站为中心的“回字形路线”进行收集，收集规则为从水域的一角处开始收集，第一圈走过水域的最边缘矩形，回到水域一角，第二圈及此后的收集路线矩形以边长的5％依次缩小；

收集器单片机判断覆盖式巡航收集结束后，再执行指向性反馈收集，通过二次收集确保水域内垃圾完全清除；若判断为指向性反馈收集模式，则直接通过收集器单片机内的特征识别算法锁定垃圾所在位置，收集器单片机运行反馈式路径规划算法，进行指向性的定点收集，所述反馈式路径规划算法是按照特征识别算法中确定的垃圾位置进行定点收集，收集规则为以基站或水域内的一点为起点，向距离最近的一个垃圾点运动，将最近处的垃圾收集，完成收集后，向下一最近位置处运动并收集下一最近位置处的垃圾，当完成所有定点的垃圾收集工作后，收集器回到初始位置待命或回到基站处排出垃圾。

最后，在完成垃圾的识别收集工作后，收集器单片机向基站单片机发送信号，进行收集器的定位工作，确定收集器和基站之间的相对位置；完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照定位工作时确定的收集器和基站之间的相对位置信息进行由收集器当前位置到基站当前位置的路径规划，能源动力模块中的蓄电池为推进器提供动力，按照收集器当前位置到基站当前位置的规划路径，驱动收集器移动至基站处，当定位对接摄像头23采集到收集器已靠近基站所在区域时，将信息传输给基站单片机，基站单片机控制自动升降门升起，同时给收集器单片机信号，二者开始对接。收集器进入基站后，第二工作台上的直流丝杆电机驱动收集筐中的推板将垃圾从收集筐的开口处推出，当收集器单片机判断垃圾完全被推板推出收集筐(推板移动到长条开孔的前极限位置)后，则控制丝杆直流电机19带动推板回到初始位置(长条开孔的后极限位置)，然后再控制推进器反向运动，使收集器后退离开基站，当定位对接摄像头采集到收集器已完全离开基站后，将信息传输给基站单片机，基站单片机控制自动升降门关闭，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接。

以上所述即为该基站对接式水面垃圾收集装置的工作过程。

本发明中收集器分为两种工作模式，首先根据预定轨迹进行覆盖式收集，然后根据图像反馈信号进行指向性收集，在收集器完成覆盖收集与反馈收集工作后，进入基站对接，释放垃圾后再次进行水面垃圾收集工作。

首先由安装在第一工作台上的识别摄像头对工作水域进行拍照，完成拍照后，将照片数据转换为模拟信号，通过杜邦线传递至收集器单片机，然后收集器单片机对照片运用特征识别算法，提取出具有垃圾特征的物体，并进行位置和数量计算，同时完成从工作水域的起始位置到工作水域的终点位置的路径规划，然后将路径规划结果，即要完成相应路径所需的速度、直行时间、转向时间等具体运动学数值与收集器的运行速度进行对比，收集器单片机计算出推进器需要的电压与供电时间，将该数字信号转换为模拟信号，输出给推进器。最后，推进器驱动收集器按照计算好的路径对特征识别出的垃圾进行收集。

其具体工作过程为：待能源动力模块3驱动垃圾收集模块4完成水域的一次收集后，通过识别摄像头16对水域内的垃圾清除情况进行拍照检测，所述识别摄像头的拍照范围为半径20m的圆形区域，将照片按照所述特征识别算法进行数据处理，若在照片中没有发现垃圾，则进行下一水域的垃圾清理工作，若在照片中发现了垃圾残留，则对垃圾出现的水域进行指向性收集，确保水域内垃圾完全清理干净。

本发明创新性地采用了基站2这一结构，在收集器的工作范围内安装基站2，收集器1进行定位后，能够向基站2处运送垃圾，再统一对基站2进行清理，用以解决现有海洋垃圾清理装置近岸易搁浅，需要重复性向岸边运输垃圾，运输时间长，能源消耗大，而垃圾收集速度慢的问题，在相同的时间内，安装有基站2的垃圾清理装置能够将更多的垃圾集中收集，从而提高垃圾收集的效率，且一个基站能够对接多个收集器，实现水域垃圾的大面积连续作业。

收集器的定位过程与基站同收集器的对接过程具体为：在收集器单片机和基站单片机中分别设置有定位模块，通过两个定位模块的位置信息对比，能够计算出基站和收集器的相对位置，此过程即为收集器的定位过程。

在完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照利用计算好的相对位置信息进行路径规划，能源动力模块按照规划好的路径，驱动收集器运动至距基站500mm处，基站单片机控制自动升降门升起，开始对接。收集器(其尺寸为高600mm，长1000mm，宽800mm)进入基站后，第二工作台上的直流丝杆电机驱动收集筐中的推板将垃圾推出，当垃圾完全被推板推出收集筐后，收集器后退离开基站，当收集器完全离开基站后，自动升降门关闭，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接。此为基站同收集器的对接过程。

收集器距离基站2500mm时，所述基站的自动升降门24打开，收集器完全进入基站2500mm后自动将垃圾推出，待收集器完全离开基站2后，自动升降门24关闭，所述基站口宽为2m，六根支撑柱高为1.2m，吃水20cm，外形为正六棱柱，由六根支撑柱和六扇自动升降门构成垃圾暂存仓，垃圾暂存仓顶部为亚克力板层。其底部安装有环形浮筒为其提供浮力，所述基站安装有小型船锚以固定其在水面的某个位置，一般情况下基站固定在距离最近岸边400m的区域可达到最佳收集效果，垃圾收集覆盖区域最大，相比近岸基站，此时收集器路径最短，使得收集器的巡航模式更合理，效率最高，也可根据水岸走势调整具体固定位置。定位对接摄像头和基站单片机安装于垃圾暂存仓顶层的塑料圆柱筒5上。

本实施例中单个基站可以容纳约10m³的垃圾。根据水域垃圾分布情况，单个基站可酌情配备3-5个收集器。每个收集器的工作极限范围为半径800m的圆形区域。基站与基站间，相隔800-1000m，垃圾暂存仓内部顶端装有三组红外传感器，当垃圾收集满时，三组传感器同时反馈并发出报警提示，位于基站顶端的信号灯闪烁表示垃圾收集满，需要对基站进行集中清理。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，该收集装置包括基站和至少一个收集器，至少一个收集器能与基站对接；

所述基站用于对垃圾进行集中存储和处理；

所述收集器用于收集垃圾。

2.根据权利要求1所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述收集器包括能源动力模块(3)、垃圾收集模块(4)、巡航定位模块(6)、反馈检测模块(7)、第一工作台(27)、第二工作台(32)、收集器单片机(17)；

所述能源动力模块(3)为整个收集器进行供电；

所述垃圾收集模块(4)用于对水面垃圾进行收集；

所述巡航定位模块用于收集器的巡航和定位；

所述反馈检测模块(7)用于对水域中的垃圾进行拍照与位置识别，并在收集器进入基站后进行收集框内垃圾的推出运动的驱动；

第一工作台(27)和第二工作台(32)结合支架构成长方体空心框架结构，第一工作台位于第二工作台上方，所述能源动力模块位于第一工作台(27)中部，垃圾收集模块(4)位于第二工作台的底部，反馈检测模块(7)安装在第二工作台上；

收集器单片机与能源动力模块(3)、垃圾收集模块(4)、巡航定位模块(6)、反馈检测模块(7)电连接；

所述基站包括定位对接摄像头(23)、自动升降门(24)、垃圾暂存仓(26)、基站单片机，基站单片机与定位对接摄像头和自动升降门、基站定位模块电连接，同时基站单片机与收集器单片机(17)相互通讯。

3.根据权利要求2所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述垃圾收集模块包括三刀排水桨(8)、大锥齿轮(9)、小锥齿轮(10)、上端轴承支座(11)、下端轴承支座(12)、低速直流电机(13)、电机支座(14)、收集筐(15)；在收集筐(15)的入口位置两侧对称设置有两个三刀排水桨(8)，每个三刀排水桨的两端分别与上端轴承支座(11)和下端轴承支座(12)转动连接，下端轴承支座(12)与收集筐(15)的下端边缘固定在一起，上端轴承支座(11)安装在第二工作台(32)的边缘上；上端轴承支座(11)上安装小锥齿轮(10)，所述大锥齿轮和低速直流电机(13)的输出轴同轴连接，且大锥齿轮(9)和小锥齿轮(10)相互啮合，低速直流电机(13)通过电机支座(14)固定在位于上端轴承支座(11)内侧的第二工作台(32)上；每个三刀排水桨由一个低速直流电机(13)驱动，低速直流电机(13)与能源动力模块(3)电连接，由能源动力模块(3)为其提供电能，收集筐(15)位于第二工作台(32)下方，两个对称的三刀排水桨(8)位于收集器开口处两侧，不会阻挡垃圾的吸入与排出；收集筐(15)内部安装有推板，所述推板的上部通过连接件与反馈检测模块中的移动部件连接，能在移动部件的带动下使推板在收集筐内由一端运动到另一端；

所述巡航定位模块包括两个推进器(31)和两个浮筒(30)、收集器定位模块，在每个浮筒的下方安装有推进器(31)，两个浮筒对称设置在收集筐两侧，且位于第二工作台(32)的下方，收集器定位模块和两个推进器(31)同时与收集器单片机(17)电连接；

所述反馈检测模块(7)位于第二工作台(32)前方正中央，包括识别摄像头(16)、丝杆直流电机支座(18)、丝杆直流电机(19)、阶梯式连接架(20)、滚珠丝杆后座(21)、型材滑轨底座(22)。

4.根据权利要求3所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述丝杆直流电机(19)的输出端穿过丝杆直流电机支座(18)连接丝杠一端，丝杠另一端通过滚珠丝杠后座(21)固定在第二工作台上，丝杠上安装有阶梯式连接架(20)，在丝杠上方固定安装有型材滑轨底座(22)，型材滑轨底座的两端分别与丝杆直流电机支座(18)和滚珠丝杠后座(21)的上部固定，阶梯式连接架(20)的下部穿过第二工作台上的长条开孔与收集筐内的推板连接，阶梯式连接架(20)能在丝杠的驱动下在型材滑轨底座上来回滑动，进而使得推板在收集筐内沿长条开孔的开孔方向前后移动，将收集筐内的垃圾推出；所述收集器单片机(17)和识别摄像头(16)均固定在丝杆直流电机(19)上，识别摄像头(16)和丝杆直流电机(19)同时与收集器单片机连接。

5.根据权利要求2所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述基站包括定位对接摄像头(23)、自动升降门(24)、垃圾暂存仓(26)、基站单片机、基站定位模块、红外传感器、报警器，基站单片机与定位对接摄像头和自动升降门、基站定位模块、红外传感器、报警器电连接，垃圾暂存仓内部顶端装有三组红外传感器，当垃圾收集满时，三组红外传感器同时反馈，基站单片机控制报警器发出报警提示，位于基站顶端的信号灯闪烁表示垃圾收集满，需要对基站进行集中清理；

收集器距离基站(2)500mm时，所述基站的自动升降门(24)打开，收集器完全进入基站(2)500mm后自动将垃圾推出，待收集器完全离开基站(2)后，自动升降门(24)关闭，垃圾暂存仓底部安装有环形浮筒为其提供浮力，所述基站安装有小型船锚以固定其在水面的某个位置，所述基站固定在距离最近岸边400m的区域。

6.根据权利要求2所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述收集筐一部分位于水面以下，一部分位于水面以上；在基站的前端开口处安装自动升降门(24)，在自动升降门(24)两侧设置“葫芦口型”的挡板，在收集器未将垃圾完全推入基站中的垃圾暂存仓，而自动升降门并未关闭的情况下，防止垃圾从基站口处离开基站。

7.一种基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，该收集装置包括基站和收集器，该收集装置的工作过程分为三步，即垃圾收集模式判断、垃圾的识别收集和定位对接暂存：

垃圾收集模式判断：收集器对所管理水域通过识别摄像头进行定期拍照，获取工作水域的实时水面图像，确定工作水域面积，通过收集器单片机内的特征识别算法找到垃圾的分布位置，并确定垃圾密度，收集器单片机再根据垃圾密度和垃圾密度阈值的关系选择垃圾收集模式，为覆盖式巡航收集模式还是指向性反馈收集模式；

垃圾的识别收集：若垃圾密度大于垃圾密度阈值，则按照覆盖式巡航收集模式在工作水域进行工作，否则按照指向性反馈收集模式在工作水域进行工作；覆盖式巡航收集模式为先按照覆盖式路径规划算法运行，再执行指向性反馈收集，进行指向性的定点收集；指向性反馈收集模式为直接进行指向性反馈收集；

定位对接暂存：在完成垃圾的识别收集工作后，收集器单片机向基站单片机发送信号，进行收集器的定位工作，确定收集器和基站之间的相对位置；完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照定位工作时确定的收集器和基站之间的相对位置信息进行由收集器当前位置到基站当前位置的路径规划，能源动力模块为推进器提供动力，按照收集器当前位置到基站当前位置的规划路径，驱动收集器移动至基站处，收集器与基站对接后，将垃圾卸载后，再离开基站开始，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接。

8.根据权利要求7所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述特征识别算法的流程为：首先对水面背景进行模糊处理，将照片划分为64个大图像块，在每个大图像块中再划分64个小图像块，定义白色或偏白色小图像块总面积占大图像块面积的75％以上的特征为具有白色垃圾或类白色垃圾特征，将具有白色垃圾或类白色垃圾特征的大图像块进行突出化处理，此记为一个垃圾；然后建立笛卡尔坐标系，将突出化处理后的大图像块进行标注，并对所标注的大图像块位置进行计算和记录，获得实际的垃圾和收集器的相对位置；最后运用“垃圾密度＝工作水域中垃圾的垃圾个数/工作水域面积”的计算公式，计算出该工作区域内的垃圾密度，将所标注大图像块的位置和垃圾密度反馈给收集器单片机。

9.根据权利要求7所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，所述覆盖式路径规划算法是对整个工作水域内的垃圾按照以基站为中心的“回字形路线”进行收集，收集规则为从水域的一角处开始收集，第一圈走过水域的最边缘矩形，回到水域一角，第二圈及此后的收集路线矩形以边长的5％依次缩小；

所述反馈式路径规划算法是按照特征识别算法中确定的垃圾位置进行定点收集，收集规则为以基站或水域内的一点为起点，向距离最近的一个垃圾点运动，将最近处的垃圾收集，完成收集后，向下一最近位置处运动并收集下一最近位置处的垃圾，当完成所有定点的垃圾收集工作后，收集器回到初始位置待命或回到基站处排出垃圾。

10.根据权利要求7所述的基站对接式水面垃圾收集装置，其特征在于，

收集器的定位过程与基站同收集器的对接过程为：在收集器单片机和基站单片机中分别设置有定位模块，通过两个定位模块的位置信息对比，能够计算出基站和收集器的相对位置，此过程即为收集器的定位过程；

在完成收集器的定位工作后，当收集器中的垃圾检测模块检测到垃圾筐中的垃圾已集满时，会按照利用计算好的相对位置信息进行路径规划，能源动力模块按照规划好的路径，驱动收集器运动至距基站500mm处，基站单片机控制自动升降门升起，开始对接；收集器进入基站后，第二工作台上的直流丝杆电机驱动收集筐中的推板将垃圾推出，当垃圾完全被推板推出收集筐后，收集器后退离开基站，当收集器完全离开基站后，自动升降门关闭，收集器开始下一水域的垃圾收集工作，基站开始等待下一次对接，此为基站同收集器的对接过程。

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