CN114030573A - 一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统 - Google Patents

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管延敏
余钱程
汪恭志
马国杰
虞嘉晨
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Abstract

本发明公开了一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，包括树莓派模块、超声波模块、图像采集模块、图像采集模块舵机云台、电机驱动模块、电源模块、舵机驱动板、机械臂舵机组、机械臂和螺旋桨；本发明采用树莓派与图像识别算法相结合的方式，降低了人力成本，提高了打捞效率。

Description

一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统
技术领域
本发明属于水面杂物清理技术领域，具体涉及一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统。
背景技术
随着我国经济的不断发展，人们的生活水平也逐步提高，但是快速的经济发展也伴随着严重的环境污染。由于公众环保意识的缺乏、水上航运的快速发展以及旅游业的不断繁荣，江河、湖泊等的水面杂物也越来越严重，这不仅造成了水体的污染，还破坏了周遭的生态环境，影响了市容市貌。
目前，大多数的水面杂物打捞工作都由人力来承担，这种传统的打捞作业方式劳动强度较大、工作效率较低、工作环境较差，并且工作安全难以得到保证。传统的打捞船由机械装置配合简单的动力系统构成，智能化程度低或者缺少智能化设计，并且仍需人工操作，存在打捞效果差的问题。其中大多数打捞船舶都是由较为大型的船体改装而来，对于浅水域以及小面积水域，存在无法作业的问题。
发明内容
发明目的：为解决传统打捞船无法在浅水域以及小面积水域作业，以及现有打捞方法存在的劳动强度较大、工作效率较低、工作环境较差、工作安全难以得到保证等问题，本发明提出了一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，本发明采用树莓派与图像识别算法相结合的方式，使得搭载本发明的打捞船具备智能识别与打捞水面杂物的能力。
技术方案：一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，包括树莓派模块、超声波模块、图像采集模块、图像采集模块舵机云台、电机驱动模块、电源模块、舵机驱动板、机械臂舵机组、机械臂和螺旋桨；
所述超声波模块、图像采集模块均固定设置图像采集模块舵机云台上，随图像采集模块舵机云台动作而动作；
所述电源模块为电机驱动模块、树莓派模块和舵机驱动板提供电源；
所述超声波模块和图像采集模块均与树莓派模块连接，用于分别向树莓派模块提供当前船体与船体周围水面杂物的距离信息和船体周围水面杂物的图像信息；
所述舵机驱动板和电机驱动模块均与树莓派模块连接，用于接收树莓派模块的控制信号；
所述螺旋桨与电机驱动模块连接，用于依据电机驱动模块输出的逻辑电平信号，调整转动方向和速度；
所述图像采集模块舵机云台与舵机驱动板连接，用于依据舵机驱动板输出的PWM波，调整动作角度；
所述机械臂舵机组与舵机驱动板连接，用于依据舵机驱动板输出的PWM波，带动机械臂动作；
所述树莓派模块内置打捞控制算法，用于依据超声波模块提供的当前船体与船体周围水面杂物的距离信息和图像采集模块提供的船体周围水面杂物的图像信息，向电机驱动模块和舵机驱动板发送相应的控制信号。
进一步的，所述螺旋桨包括螺旋桨正桨和螺旋桨反桨。
进一步的，所述打捞控制算法，包括以下步骤：
步骤1：获取船体周围水面杂物的图像信息，采用OpenCV图像预处理方法对得到的区域图像进行预处理，得到具有物体矩形轮廓的区域图像，以确定区域图像中的物体范围；通过采用训练好的Mobilenet SSD模型对得到的图像进行目标检测，并判断当前船体前方物体是否为待打捞物体，若为待打捞物体，则执行步骤2；否则不做任何处理；
步骤2：获取当前船体与船体周围水面杂物的距离信息，记为实时距离L，判断实时距离L是否在机械臂可伸长至触碰的范围内，若在，则执行步骤3；否则，向电机驱动模块发送控制信息，使其控制螺旋桨转动，带动船体靠近待打捞物体，重新执行步骤2；
步骤3：获取当前获取船体周围水面杂物的图像信息，采用OpenCV图像预处理方法对得到的区域图像进行预处理，得到具有物体矩形轮廓的区域图像，判断待打捞物体是否正对打捞船，若正对，则向舵机驱动板发送控制信号，使其控制机械臂舵机组驱动机械臂进行抓取动作；若不正对，则根据当前待打捞物体与打捞船的位置关系，向电机驱动模块发送控制信息，使其控制螺旋桨转动，调整打捞船位置，重新执行步骤3。
进一步的，所述电源模块包括12V电源模块和降压电源模块；12V电源模块为电机驱动模块供电；降压电源模块与12V电源模块连接，用于将12V电源模块提供的12V直流电的电压降低至5V，并为树莓派模块和舵机驱动板提供降低后的5V直流电。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明采用树莓派与图像识别算法相结合的方式，使得搭载本发明的打捞船具备智能识别与打捞水面杂物的能力；
(2)本发明的控制系统具有集成化程度较高且功耗较低等优点，通过将该控制系统应用于小型打捞船舶上，使打捞船可以作业于浅水域以及小面积水域，极大的降低劳动力成本，提高打捞效率，改善打捞效果。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，包括机械臂舵机组、树莓派模块1、超声波模块2、高清摄像头3、摄像头舵机云台4、电机驱动模块5、12V电源模块6、降压电源模块7、舵机驱动板8、机械臂15和螺旋桨。
其中，机械臂舵机组包括1号舵机9、2号舵机10、3号舵机11、4号舵机12、5号舵机13和6号舵机14；螺旋桨包括螺旋桨正桨16和螺旋桨反桨17；12V电源模块6为电机驱动模块5供电，该12V电源模块6为直流电源；电机驱动模块5控制螺旋桨正桨16和螺旋桨反桨17转动；降压电源模块7与12V电源模块6连接，用于将12V电源模块6提供的12V直流电的电压降低至5V，并为树莓派模块1和舵机驱动板8提供降低后的5V直流电；在一些实施例中，降压电源模块7可选用型号为LM2596S的降压电源模块。
摄像头舵机云台4、高清摄像头3和超声波模块2固联在一起，且高清摄像头3、超声波模块2、电机驱动模块5、舵机驱动板8和降压电源模块7输出端均与树莓派模块1相连；高清摄像头3将捕获的图像信息通过USB接口传输给树莓派模块1；超声波模块2向水面杂物发射一定频率的超声波，并接收反射回来超声波，树莓派模块1根据前后时间差计算水面杂物距离打捞船的距离；在一些实施例中，超声波模块2可选用型号为HY-SRF05的超声波模块；电机驱动模块5根据树莓派模块1的信号控制电机驱动模块输出端口的逻辑电平信号，从而控制螺旋桨正桨16和螺旋桨反桨17的转动方向与速度；在一些实施例中，电机驱动模块5可选用型号为L298N的电机驱动模块；舵机驱动板8通过I2C总线接收树莓派模块1的信号，舵机驱动板8根据收到的信号输出指定的PWM波来控制摄像头舵机云台4和机械臂舵机组的运动角度；在一些实施例中，舵机驱动板8可选用型号为PCA9685的舵机驱动板。
在一些实施例中，树莓派模块1采用的是基于ARM内核的单板机，内部采用Raspberry Pi OS操作系统，树莓派型号为Raspberry Pi 4Model B。
摄像头舵机云台4和机械臂舵机组均接收来自舵机驱动板输出的PWM波，机械臂15受机械臂舵机组控制，完成打捞作用。
摄像头捕获的图像由树莓派模块1通过OpenCV进行识别判断，打捞船的运动由树莓派模块1控制螺旋桨的转动方向与转动速度来实现。距离测定由超声波模块2结合树莓派模块1计算得到。当到达打捞位置后，机械臂的打捞动作由树莓派模块1控制，实现打捞作业。具体过程为：
高清摄像头3捕获水面杂物的图像并传输给树莓派模块1进行识别判断，若为需要打捞的水面杂物，树莓派模块1根据捕获的图像判断水面杂物的水平方位，并通过GPIO口传输信号给电机驱动模块5，控制螺旋桨正桨16和螺旋桨反桨17来调整船体水平方位，将打捞船正对于水面杂物。同时树莓派模块1根据捕获的图像，通过I2C总线传输信号给舵机驱动板8，舵机驱动板8根据树莓派模块1发送的信号，输出PWM波控制摄像头舵机云台4，使高清摄像头3实时捕获水面杂物。与高清摄像头3固联的超声波模块2向水面杂物发射超声波并接收反射回来的超声波，树莓派模块1通过计算此时间差测得打捞船与水面杂物的距离，并通过控制螺旋桨正桨16与螺旋桨反桨17驱动打捞船向水面杂物靠近。在靠近水面杂物的过程中，树莓派模块1不间断地处理高清摄像头3实时捕获的水面杂物图像与位置以及超声波模块2所测得的距离。当打捞船到达机械臂15可以打捞到的位置时，树莓派模块1通过I2C总线传输信号给舵机驱动板8，舵机驱动板8输出PWM波控制机械臂舵机组来让机械臂15完成对水面杂物的打捞作业。最后循环执行以上的步骤，直至水面杂物全部被打捞完毕后停止。

Claims (4)

1.一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，其特征在于：包括树莓派模块(1)、超声波模块(2)、图像采集模块、图像采集模块舵机云台、电机驱动模块(5)、电源模块、舵机驱动板(8)、机械臂舵机组、机械臂(15)和螺旋桨；
所述超声波模块(2)、图像采集模块均固定设置图像采集模块舵机云台上，随图像采集模块舵机云台动作而动作；
所述电源模块为电机驱动模块(5)、树莓派模块(1)和舵机驱动板(8)提供电源；
所述超声波模块(2)和图像采集模块均与树莓派模块(1)连接，用于分别向树莓派模块(1)提供当前船体与船体周围水面杂物的距离信息和船体周围水面杂物的图像信息；
所述舵机驱动板(8)和电机驱动模块(5)均与树莓派模块(1)连接，用于接收树莓派模块(1)的控制信号；
所述螺旋桨与电机驱动模块(5)连接，用于依据电机驱动模块(5)输出的逻辑电平信号，调整转动方向和速度；
所述图像采集模块舵机云台与舵机驱动板(8)连接，用于依据舵机驱动板(8)输出的PWM波，调整动作角度；
所述机械臂舵机组与舵机驱动板(8)连接，用于依据舵机驱动板(8)输出的PWM波，带动机械臂(15)动作；
所述树莓派模块(1)内置打捞控制算法，用于依据超声波模块(2)提供的当前船体与船体周围水面杂物的距离信息和图像采集模块提供的船体周围水面杂物的图像信息，向电机驱动模块(5)和舵机驱动板(8)发送相应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，其特征在于：所述螺旋桨包括螺旋桨正桨(16)和螺旋桨反桨(17)。
3.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，其特征在于：所述打捞控制算法，包括以下步骤：
步骤1：获取船体周围水面杂物的图像信息，采用OpenCV图像预处理方法对得到的区域图像进行预处理，得到具有物体矩形轮廓的区域图像，以确定区域图像中的物体范围；通过采用训练好的Mobilenet SSD模型对得到的图像进行目标检测，并判断当前船体前方物体是否为待打捞物体，若为待打捞物体，则执行步骤2；否则不做任何处理；
步骤2：获取当前船体与船体周围水面杂物的距离信息，记为实时距离L，判断实时距离L是否在机械臂可伸长至触碰的范围内，若在，则执行步骤3；否则，向电机驱动模块发送控制信息，使其控制螺旋桨转动，带动船体靠近待打捞物体，重新执行步骤2；
步骤3：获取当前获取船体周围水面杂物的图像信息，采用OpenCV图像预处理方法对得到的区域图像进行预处理，得到具有物体矩形轮廓的区域图像，判断待打捞物体是否正对打捞船，若正对，则向舵机驱动板发送控制信号，使其控制机械臂舵机组驱动机械臂进行抓取动作；若不正对，则根据当前待打捞物体与打捞船的位置关系，向电机驱动模块发送控制信息，使其控制螺旋桨转动，调整打捞船位置，重新执行步骤3。
4.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的水面杂物打捞船智能控制系统，其特征在于：所述电源模块包括12V电源模块(6)和降压电源模块(7)；
所述12V电源模块(6)为电机驱动模块(5)供电；
所述降压电源模块(7)与12V电源模块(6)连接，用于将12V电源模块(6)提供的12V直流电的电压降低至5V，并为树莓派模块(1)和舵机驱动板(8)提供降低后的5V直流电。
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