CN115387423A - 螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人及其控制方法，涉及环境修复技术领域，设有单片机核心控制处理器、视觉处理模块、卫星定位模块、铲斗机构、传送带机构、垃圾斗机构和驱动机构。本发明的机器人通过单片机核心控制处理器和视觉处理模块分析得到自身周围环境，结合目标位置、自身电量等因素，基于大数据与终端计算获得的最优路径，在卫星定位模块及北斗导航的导向作用下由驱动机构提供动力行进至目标位置，再由铲斗机构、传送带机构、垃圾斗机构进行目标位置的垃圾回收，高效、低耗地实现自动化的垃圾收集。该机器人以单驱动机构实现了水中及沙滩上两种工况下机器人的灵活行进，驱动效率高，实用性好。

Description

螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及环境修复技术领域，具体涉及一种用于收集海洋垃圾的垃圾清理机器人及其控制方法。
背景技术
水域污染通常是指人类改变了水域原来的状态，使水域生态系统遭到破坏。有害物质进入水域环境而造成的污染会损害生物资源、危害人类健康，妨碍捕鱼和人类在海上的其他活动，损坏水域水质和环境质量等。随着世界工业的发展，水域污染也日趋严重，并有继续扩展的趋势。
垃圾侵入是导致水域污染的常见原因之一，不仅会造成视觉污染，还会造成水体污染、水质恶化，严重的还将严重影响航行船只的安全。塑料类制品与木制品如塑料袋和塑料瓶和漂浮木块等是水域侵入垃圾中最为主要类型，称为漂浮垃圾。漂浮垃圾传统的处理方式为工作人员驾驶小型船舶，以手持类打捞工具进行垃圾打捞，该清理方式清理效率过低，人力成本较高，不利于大规模地开展垃圾清理工作。
随着科技的发展，用于漂浮垃圾的船舶类垃圾清理设备应运而生。
通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：
现有技术1：
申请号：CN202210768245.3，申请日：2022.07.01，公开(公告)日：2022.09.13，该现有技术公开了一种多功能海洋垃圾收集船，能够收集海面上漂浮的垃圾和油污，其整体呈船状，分为上下两层，包括上层的固体垃圾收集装置和下层的油污收集装置。当处于固体垃圾收集模式时，主传送带带动垃圾向上运输至粉碎装置，粉碎后落入下方的碎渣传送带随后运输至固体垃圾回收舱。当处于油污收集模式时，传送带向上抬起，含有油污的水流进入水流减速舱，在油污分离舱中通过刮板装置将油污刮入油污收集舱。该多功能海洋垃圾收集船能够通过两种模式分别收集垃圾和油污，便捷高效，节能环保，适应能力强。
但上述现有技术在实现垃圾的收集后，仍需在岸边人工进行垃圾的转运，自动化程度和人力投入不够理想。
现有技术2：
申请号：CN202210758608.5，申请日：2022.06.30，公开(公告)日：2022.09.02，该现有技术涉及水面和沙滩垃圾处理技术领域，公开一种兼具沙滩环境和水面环境进行垃圾自动收集的装置，该装置由控制系统，直流电机，船体，太阳能电池板，垃圾收集装置，运动组件，图像识别系统，导航系统九个部分组成。该装置工作方式如下：图像识别系统通过摄像头确认周围环境所有垃圾的位置后，控制系统驱动运动组件使装置到达垃圾所在位置并收集。垃圾收集装置内部有漏网可以将垃圾与水域或砂砾分离，同时压力传感器在感知到漏斗内的垃圾重量到达预设重量或红外线检测装置感知到垃圾到达预设高度后，使装置自动返航更换垃圾箱。本发明专利提供的湖泊沙滩两用智能垃圾清理装置适用范围广，清理过程智能高效，可大幅节省人工成本。
但上述现有技术在水中和陆地上的移动仍需以不同的驱动机构实现，结构复杂，驱动设备投入成本高，驱动效率低。
现有技术3：
申请号：CN202210653286.8，申请日：2022.06.10，公开(公告)日：2022.08.19，该现有技术提供一种能清理水上垃圾的设备，包括垃圾拦截网和垃圾清理船，垃圾清理船包括船体，船体安装有垃圾输送装置和垃圾存放箱，船体前部两侧分别安装有两块垃圾挡板。使用时将垃圾拦截网一端固定于岸边，另一端与垃圾挡板相连，水上垃圾会被垃圾拦截网拦住，并在水流的作用下缓慢向垃圾清理船漂去。本发明的优点有：扩大了垃圾清理范围，减少了垃圾清理船的能量消耗，增加了垃圾清理船的持续运行时间，并能够使河道通畅，不会造成不能通航的问题。
但上述现有技术工作时需要使用护网限制垃圾运动，仅适用于较窄的河道，难以较好地满足实际需要。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人及其控制方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，包括用于驱动机器人行进的驱动机构和用于收集垃圾的铲斗机构；
所述铲斗机构包括铲斗电机、短连杆、长连杆、上固定件、铲斗和下固定件；所述铲斗电机安装固定至机器人的机架上，其输出端与所述短连杆前端连接固定，所述长连杆的前端和末端分别与短连杆的末端及上固定件转动连接，所述铲斗呈斗状结构，连接固定至所述上固定件上，其外侧固设有所述下固定件，所述下固定件转动安装，使所述铲斗仅能绕下固定件的转轴转动。
进一步的，所述铲斗机构的铲斗电机、短连杆、长连杆、上固定件和下固定件均成对对称设置，一对所述长连杆的前端之间和末端之间还各设有一根铲斗连杆，所述铲斗连杆的两端分别与一对短连杆的末端转动连接，或分别与一对长连杆的末端转动连接。
进一步的，所述驱动机构包括一对对称设于所述机器人两侧的螺旋滚筒及一对用于分别驱动螺旋滚筒转动的驱动结构；所述螺旋滚筒中部呈圆筒状结构，该圆筒状结构外围设有螺旋叶片；所述螺旋滚筒转动安装至机器人的机架上，且与所述驱动结构的输出端安装固定。
进一步的，所述驱动结构包括驱动电机、驱动同步带轮、驱动同步带和传动同步带轮；所述驱动电机安装固定至机器人的机架上，其输出端连接固定有所述驱动同步带轮，所述传动同步带轮作为驱动结构的输出端，安装固定至螺旋滚筒端部，所述驱动同步带张紧设于驱动同步带轮和传动同步带轮上。
进一步的，还包括用于存放垃圾的垃圾斗机构，所述垃圾斗机构包括垃圾斗壳体、连接杆、垃圾斗门和一对对称设置的推杆结构；所述垃圾斗壳体呈后侧及顶部敞口的箱状结构，所述垃圾斗门的底部两侧各转动连接有一个垃圾斗门滑块，两个所述垃圾斗门滑块分别与垃圾斗壳体后端两内侧处设置的垃圾斗门滑轨滑动配合连接，所述垃圾斗壳体的底板由前至后向下倾斜设置，所述连接杆两端均与垃圾斗壳体转动安装；
所述推杆结构包括电推杆固定件、电推杆、垃圾斗短连杆和垃圾斗长连杆；所述电推杆固定件位于垃圾斗壳体侧面，安装固定至机架或垃圾斗壳体上，所述电推杆的前端和末端分别与电推杆固定件及垃圾斗短连杆的前端转动连接，所述连接杆的两端分别与同侧的垃圾斗短连杆末端及垃圾斗长连杆前端连接固定，所述垃圾斗长连杆末端与垃圾斗门的顶部两侧转动连接。
进一步的，所述垃圾斗门的两侧分别设有滑动滚子，所述垃圾斗壳体的内侧壁相应开设一体式的垃圾斗壳体导轨，所述垃圾斗门与垃圾斗壳体通过滑动滚子和垃圾斗壳体导轨滑动配合连接。
进一步的，还包括用于将垃圾由所述铲斗机构向垃圾斗机构输送的传送带机构，所述传送带机构包括传送带电机、传送带驱动同步带轮、传送带传动同步带、传送带传动同步带轮、传送带转动轴、传送带从动同步带轮和传送带；
一对所述传送带转动轴平行设置，转动安装至机架上；所述传送带从动同步带轮成对设置，每对传送带从动同步带轮分别固设于两根传送带转动轴上，所述传送带张紧设于一对传送带转动轴上设置的传送带从动同步带轮上，其前端和末端分别与铲斗的末端及垃圾斗壳体顶部的敞口连通；
一对所述传送带转动轴中任一作为主传送带转动轴，端部固设有传送带传动同步带轮，所述传送带电机安装固定至机架上，其输出端安装固定有传送带驱动同步带轮，所述传送带传动同步带张紧设于传送带驱动同步带轮和传送带传动同步带轮上。
进一步的，还包括设于所述传送带从动同步带轮与传送带之间的传送带转动同步带；每对所述传送带从动同步带轮上对应张紧设有一条传送带转动同步带，所述传送带的内表面与传送带转动同步带的外表面压紧贴合设置。
进一步的，还包括安装至所述机器人上的视觉处理模块、卫星定位模块和单片机核心控制处理器，所述视觉处理模块和卫星定位模块与单片机核心控制处理器数据连通，所述视觉处理模块包括一个广角摄像机和两个摄像头；所述处理模块和卫星定位模块用于配合获取机器人所在水域的环境信息和漂浮垃圾分布情况；
所述垃圾斗壳体内侧壁由其顶部沿竖直方向设有各光电传感器，所述驱动机构还包括分别用于测量驱动电机输出端转速及螺旋滚筒转速的电机转速传感器及滚筒转速传感器，所述铲斗电机、电推杆、各光电传感器、驱动电机、电机转速传感器及滚筒转速传感器均与单片机核心控制处理器数据连通。
用于控制上述螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人进行垃圾清理的方法包括以下步骤：
步骤1：通过卫星定位模块获取海洋二维地图，在所述海洋二维地图中，以机器人的出发点为原点，以经过所述出发点的纬线为x轴，以经过所述出发点的经线为y轴，建立平面坐标系；
设定单个机器人的工作区域的边长为L；
以边长L的正方形区域对目标清理水域的外接矩形S进行分割后，得到N个待清理的小水域，从而确定当前清理任务所需的机器人数量为N：
在所述平面坐标系中，获得N个小水域的中心点集合C＝{c1,c2,...,ci,...,cN}和N个机器人的出发点分别与N个小水域中心点之间的距离R＝{R1,R2,...,Ri,...,RN}，其中，ci表示第i个小水域的中心点坐标，Ri表示第i个机器人的出发点与第i个小水域的中心点之间的距离；
初始化i＝1；
步骤2：若Ri＞Rmax，则表示待清理的小水域位置与第i个机器人出发点的距离超过允许值Rmax，所述单片机核心控制处理器利用显示模块提示无法清理第i个小水域，并将i+1赋值给i后，返回步骤2，直到i>N为止，结束流程；否则，所述单片机核心控制处理器利用显示模块提示接受第i个小水域的清理任务，并将第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)发送至第i个机器人；其中，W为天气因子；
步骤3：当第i个机器人接收到第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)并存储至数据库中，并根据自身电池的当前剩余电量Ei和垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi，利用式(2)计算第i个机器人的当前状态Ψi：
Ψi＝W×(e×Ei+v×Vi-m×Mi-r×Ri-s×L2) (2)
式(2)中，e为剩余电量因子，v为体积因子，m为质量因子，r为距离因子，s为面积占比因子；
步骤4：若Ψi＜Ψ0，则所述单片机核心控制处理器利用显示模块提示第i个机器人无法满足出发条件，第i个机器人结束流程；否则，执行步骤5；
步骤5：所述单片机核心控制处理器利用式(3)获得第i个机器人的工作区域si：
Figure BDA0003861487590000051
式(3)中，(xi,yi)为第i个小水域的中心点ci的坐标；(x,y)为所述平面坐标系中任意一个坐标点；
步骤6：所述卫星定位模块获得第i个机器人的当前位置坐标Ro(x0,y0)并判断是否属于工作区域si内，若是，则表示第i个机器人已经到达第i个小水域，所述单片机核心控制处理器发送启动信号给第i个机器人开始工作，否则，表示第i个机器人还未到达第i个小水域，所述单片机核心控制处理器发送启动信号给第i个机器人并驱动第i个机器人以ci为终点进行行驶，直到第i个机器人到达第i个小水域为止；
步骤7：第i个机器人上的广角摄像机对四周进行全景拍摄，并将图像传输至视觉处理模块中进行分析，获得垃圾和障碍物相对于第i个机器人的位置图像并传输至单片机核心控制处理器；
步骤8：所述单片机核心控制处理器根据所接收的位置图像，并获得垃圾和障碍物在所述平面坐标系中的位置坐标，从而通过避障算法规划第i个机器人到垃圾之间的路径，并控制所述驱动模块工作，使得第i个机器人按照规划的路径移动至垃圾所在的位置；
步骤9：第i个机器人到达垃圾所在的位置后，驱动铲斗电机反向输出力矩，使得铲斗达到水面下的最低位置，并利用自身双目摄像头获取铲斗和垃圾的共同图像后发送给视觉处理模块进行处理，得到所述平面坐标系中的垃圾边缘线的位置坐标和铲斗所在区域的位置坐标；
步骤10：所述单片机核心控制处理器根据视觉处理模块的处理结果进行判断：若垃圾边缘线上的任意一点坐标Bk(xk,yk),均在铲斗所在区域的位置坐标内，则第i个机器人驱动铲斗电机正向输出力矩，使得铲斗收起并捞取垃圾；否则，从垃圾边缘线上获取与铲斗中心位置坐标B0(xb,yb)距离最远的坐标点B1(x1,y1)并移动距离
Figure BDA0003861487590000061
沿着由中心位置B0(xb,yb)指向铲斗所在区域外的点的方向，从而控制所述第i个机器人朝向最远坐标点的方向进行移动，并在达到相应位置后，第i个机器人收起铲斗并捞取垃圾；
步骤11：第i个机器人将铲斗内的垃圾落在传送带上，并利用双目摄像机获取传送带上的图像并进行检测，若未检测到垃圾，则所述单片机核心控制处理器停止所述传送带电机，否则，启动所述传送带电机并驱动传送带匀速转动，使得垃圾运输至垃圾斗壳体中；
步骤12：所述单片机核心控制处理器根据传感器所采集的信息，更新垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi自身电池的当前剩余电量Ei，并判断Ei＜E0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤13；其中，E0许用电量值；
步骤13：判断Vi＜V0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤14；其中，V0许用剩余空间容量；
步骤14：判断Mi＞M0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤15；
步骤15：判断W＜W0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，返回步骤7顺序执行；其中，W0为许用天气值；
步骤16：所述单片机核心控制处理器通过卫星定位模块接收第i个机器人的位置坐标和返程终点的位置坐标并规划返程路径后返程；其中，M0表示许用质量；所述返程终点为沙滩上的垃圾收集区的中心点；
步骤17：当所述单片机核心控制处理器检测到第i个机器人与返程终点的位置坐标间的距离L终小于设定值R终时，利用双目摄像头拍摄当前海面图像并发送给视觉处理模块进行处理，得到当前海面图像中陆地区域面积；
若陆地区域面积与图像总面积之比Sland大于标准值S0时，则判定为第i个机器人进入浅滩地带，并执行步骤18；否则，获取下一海面图像并继续判断；
步骤18：所述单片机核心控制处理器控制所述驱动模块的驱动电机将转速降低至陆地行进标准转速ωl，同时第i个机器人利用速度传感器获取前进速度V并进行判断：若V＜V0，则驱动电机继续降低转速至陆地最大驱动力转速
Figure BDA0003861487590000071
使得第i个机器人在沙滩上减速行进；并执行步骤19；否则，表示第i个机器人在沙滩上正常行进，并执行步骤20；其中，V0表示标准速度；
步骤19：若V＜Vmin，则向服务器发送沙滩行进异常的信息，并驱动电机停止工作；否则，所述单片机核心控制处理器控制第i个机器人按照Vmin在沙滩上行进，执行步骤20；其中，Vmin表示沙滩行进最低速度；
步骤20：所述单片机核心控制处理器根据自身的位置信息Ro′(x′,y′)与垃圾收集区域的位置P，判断Ro′(x′,y′)∈P是否成立，若成立，表示第i个机器人处于垃圾收集区中，并开启垃圾斗门，并完成垃圾倾倒并进行步骤21；
否则，所述单片机核心控制处理器控制驱动机构沿着由Ro'指向垃圾收集区域P中心的位置P中(xp,yp)并移动距离
Figure BDA0003861487590000072
从而控制第i个机器人继续朝向返程终点的方向进行移动后，返回步骤20；
步骤21：第i个机器人完成垃圾后，所述单片机核心控制处理器根据获取的传感器信息，更新当前垃圾斗内质量Mi并判断Mi＝0是否成立，若成立，则第i个机器人通过服务器发送“垃圾倾倒已完成”给用户端，结束工作；否则，则机器人通过服务器发送“垃圾倾倒未完成”的信息至APP中，工作结束。
本发明提供了螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人及其控制方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供了一种将机器人周围天气情况代入机器人工作状态判断的控制方法。在扫描机器人自身状态的基础上，通过摄像头拍摄周围天气情况，并且转化为具体变量(天气因子W)带入中央处理器的计算中，使得机器人可以根据周围天气情况判断自身条件是否适合工作，如遇到恶劣天气，能够及时进行返航，降低损失。
2、本发明提供了一种基于北斗导航与机器人自身分析周围环境进行路径规划综合的导航方式，在机器人从出发点前往目标工作区的途中，主要以北斗导航为主，基于大数据与终端计算获得的最优路径前进，机器人可较快到达目标工作区且可减少机器人中央处理器工作耗能；开始工作后，在工作范围内搜索垃圾并进行各个垃圾点之间的路径规划主要依靠机器人自身摄像头拍摄图像，经过处理后获得各垃圾的位置并由中央处理器进行路径规划，由实际拍摄图像获得的位置更加精确，路径优化程度更高，两者结合，可以实现机器人全程的路径规划与垃圾清理和收集。
3、本发明的摄像部分采用了广角摄像头和双目摄像头深度测距拍摄，工作时首先由广角摄像头获得机器人周围大致图像，再在大致图像的基础上，通过双目摄像头拍摄，获得清晰的图像，且还可获得垃圾与机器人自身的距离。
4、本发明在实现海洋和沙滩行进模式切换时，通过速度传感器获得机器人前进速度值，通过与沙滩行进的各档速度值比较，获得能够在沙滩上行进的电机转速，确保机器人在正常情况下成功实现从海上行进到陆地行驶的成功切换。
附图说明
图1为本发明正面的结构示意图；
图2为本发明背面的结构示意图；
图3为本发明传送带机构的结构示意图；
图4为本发明垃圾斗机构的结构示意图；
图5为本发明垃圾斗机构的垃圾斗门打开时的结构示意图；
图6为本发明的机器人进行垃圾收集的流程图；
图7为本发明的机器人进行路径规划的流程图；
图8为本发明的机器人开始工作时的任务分配示意图。
图中：
1、视觉处理模块，11、广角摄像机，12、摄像头；2、卫星定位模块；3、单片机核心控制处理器；4、铲斗机构，41、铲斗电机，42、短连杆，43、长连杆，44、上固定件，45、铲斗，46、下固定件，47、铲斗连杆；5、传送带机构，51、传送带电机，52、传送带驱动同步带轮，53、传送带传动同步带，54、传送带传动同步带轮，55、传送带转动同步带，56、传送带转动轴，57、传送带从动同步带轮，59、传送带；6、垃圾斗机构，61、垃圾斗壳体，611、垃圾壳体导轨，62、电推杆固定件，63、电推杆，64、垃圾斗短连杆，65、连杆固定件，66、连接杆，67、垃圾斗长连杆，69、垃圾斗门；7、驱动机构，71、驱动电机，72、驱动同步带轮，73、张紧轮，74、驱动同步带，75、传动同步带轮，77、螺旋滚筒；8、机架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1～图5所示，其结构关系为：包括用于驱动机器人行进的驱动机构7和用于收集垃圾的铲斗机构4；
铲斗机构4包括铲斗电机41、短连杆42、长连杆43、上固定件44、铲斗45和下固定件46；铲斗电机41安装固定至机器人的机架8上，其输出端与短连杆42前端连接固定，铲斗电机41驱动短连杆42末端做以短连杆42前端为转动中心的部分圆周运动；长连杆43的前端和末端分别与短连杆42的末端及上固定件44转动连接，实际设置时，长连杆43可与短连杆42及上固定件44铰接连接；铲斗45呈斗状结构，连接固定至上固定件44上，其外侧固设有下固定件46，实际设置时，铲斗45的底板可呈前端较大、后端较小的等腰梯形结构，使铲斗45前端具有更大的开口，便于垃圾的收集，且铲斗45的底板上应密布开设小孔，使收集垃圾时进入铲斗45的水可由小孔漏出，减小机器人各机构的无效负载；铲斗45可以螺栓螺母与上固定件44及下固定件46连接固定；下固定件46转动安装，使铲斗45仅能绕下固定件46的转轴转动。短连杆42末端的圆周运动、下固定件46转动安装形成的转轴、长连杆43与短连杆42之间形成的转动副及长连杆43与上固定件44之间形成的转动副的转轴均平行，且优选为水平设置；
铲斗机构4的动作过程如下：
铲斗电机41输出动力，驱动短连杆42末端相对与前端向上或向下转动，带动长连杆43的前端相对于末端向上转动的同时向后平移或向下转动的同时向前平移，进而带动铲斗45以下固定件46的转轴为轴转动，使铲斗45的后端相对于前端向下转动，即使铲斗45前端抬起，或使铲斗45的后端相对于前端向上转动，即使铲斗45前端落下。
优选的，铲斗机构4的铲斗电机41、短连杆42、长连杆43、上固定件44和下固定件46均成对对称设置，能较好地改善铲斗机构4的力平衡性，消除铲斗机构4因结构及受理不对称导致的运动误差；一对长连杆43的前端之间和末端之间还各设有一根铲斗连杆47，铲斗连杆47的两端分别与一对短连杆42的末端转动连接且轴向限位，或分别与一对长连杆43的末端转动连接且轴向限位；
实际设置时，铲斗连杆47可与短连杆42及长连杆43铰接连接；两根铲斗连杆47的设置能进一步改善一对短连杆42的结构刚性，并能有效保证铲斗机构4对称结构的同心度。
优选的，驱动机构7包括一对对称设于机器人两侧的螺旋滚筒77及一对用于分别驱动螺旋滚筒77转动的驱动结构；螺旋滚筒77中部呈圆筒状结构，该圆筒状结构外围设有螺旋叶片；螺旋滚筒77转动安装至机器人的机架8上，且与驱动结构的输出端安装固定；实际设置时，可于机架8上对应螺旋滚筒77两端的位置各安装固定一个轴承座，并将螺旋滚筒77两端分别通过轴承与两个轴承座安装连接；螺旋滚筒77的一端可贯穿机架8设置，并于该端部与驱动结构的输出端安装固定。
优选的，驱动结构包括驱动电机71、驱动同步带轮72、驱动同步带74和传动同步带轮75；驱动电机71安装固定至机器人的机架8上，其输出端连接固定有驱动同步带轮72，传动同步带轮75作为驱动结构的输出端，安装固定至螺旋滚筒77端部，驱动同步带74张紧设于驱动同步带轮72和传动同步带轮75上，将驱动同步带轮72的转动同步传递至传动同步带轮75；实际设置时，还可于驱动结构中设置张紧轮73，张紧轮73用于配合驱动同步带轮72和动同步带轮75实现驱动同步带74的张紧，确保驱动同步带74上在驱动电机71的不同转速下及驱动同步带轮72和传动同步带轮75的不同安装位置下均具有足够张力，使驱动同步带74能够将驱动同步带轮72的转动同步传递至传动同步带轮75；
驱动结构的驱动过程如下：
驱动电机71输出动力，驱动驱动同步带轮72转动，驱动同步带74在张紧轮73的张紧作用下，将驱动同步带轮72的转动同步传递至传动同步带轮75，传动同步带轮75带动与其连接固定的螺旋滚筒77同步转动。
优选的，还包括用于存放垃圾的垃圾斗机构6，垃圾斗机构6包括垃圾斗壳体61、连接杆66、垃圾斗门69和一对对称设置的推杆结构；垃圾斗壳体61呈后侧及顶部敞口的箱状结构，垃圾斗门69的底部两侧各转动连接有一个垃圾斗门滑块，两个垃圾斗门滑块分别与垃圾斗壳体61后端两内侧处设置的垃圾斗门滑轨滑动配合连接，垃圾斗门滑块与垃圾斗门滑轨之间形成沿竖直向的滑动副；垃圾斗壳体61的底板由前至后向下倾斜设置，实际设置时，垃圾斗壳体61的底板表面应尽量光滑，更利于漂浮垃圾落入垃圾斗壳体61后在重力作用下沿垃圾斗壳体61的底板向后滑动至垃圾斗门69处堆积；连接杆66两端均与垃圾斗壳体61转动安装；实际设置时，可于垃圾斗壳体61顶部对应连接杆66两端位置处各固设一个连杆固定件65，并将连接杆66两端分别与两个连杆固定件65铰接；
推杆结构包括电推杆固定件62、电推杆63、垃圾斗短连杆64和垃圾斗长连杆67；电推杆固定件62位于垃圾斗壳体61侧面，安装固定至机架8或垃圾斗壳体61上，电推杆63的前端和末端分别与电推杆固定件62及垃圾斗短连杆64的前端转动连接，实际设置时，电推杆63的前端和末端可分别与电推杆固定件62及垃圾斗短连杆64的前端铰接；连接杆66的两端分别与同侧的垃圾斗短连杆64末端及垃圾斗长连杆67前端连接固定，使垃圾斗短连杆64与垃圾斗长连杆67之间的夹角固定，垃圾斗长连杆67末端与垃圾斗门69的顶部两侧转动连接；实际设置时，垃圾斗长连杆67的末端可与垃圾斗门69的侧壁顶部铰接，电推杆固定件62与电推杆63之间、电推杆63与垃圾斗短连杆64之间及垃圾斗长连杆67与垃圾斗门69之间的转动副转轴平行，且垃圾斗门69与垃圾斗壳体61之间的滑动副应当与垃圾斗门69在连接杆66带动下滑动的轨迹相适应；
垃圾斗机构6的动作过程如下：
电推杆61伸长，带动电推杆固定件62的前端相对于末端向后转动，使固接为整体的垃圾斗短连杆64、连接杆66和垃圾斗长连杆67以连接杆66为轴同步转动，该过程中，垃圾斗长连杆67的末端向上转动，使垃圾斗门69沿垃圾壳体导轨611上滑，垃圾斗壳体61后端垃圾出口敞开，垃圾斗壳体61内堆积于垃圾斗门69处的漂浮垃圾由垃圾出口卸除。
优选的，垃圾斗门69的两侧分别设有滑动滚子，垃圾斗壳体61的内侧壁相应开设一体式的垃圾斗壳体导轨611，垃圾斗门69与垃圾斗壳体61通过滑动滚子和垃圾斗壳体导轨611滑动配合连接。
优选的，还包括用于将垃圾由铲斗机构4向垃圾斗机构6输送的传送带机构5，传送带机构5包括传送带电机51、传送带驱动同步带轮52、传送带传动同步带53、传送带传动同步带轮54、传送带转动轴56、传送带从动同步带轮57和传送带59；
一对传送带转动轴56平行设置，转动安装至机架8上；实际设置时，可于机架8上对应传送带转动轴56两端的位置各安装固定一个轴承座，并将传送带转动轴56两端分别通过轴承与两个轴承座安装连接；传送带从动同步带轮57成对设置，每对传送带从动同步带轮57分别固设于两根传送带转动轴56上，传送带59张紧设于一对传送带转动轴56上设置的传送带从动同步带轮57上，其前端和末端分别与铲斗45的末端及垃圾斗壳体61顶部的敞口连通；传送带59的宽度应当与铲斗45末端的开口宽度相配合，且当铲斗45翘起至最大高度时，铲斗45末端开口的高度应高于传送带59前端的高度，以使铲斗45内收集的垃圾能由铲斗45末端的开口下落至传送带59前端；
一对传送带转动轴56中任一作为主传送带转动轴，端部固设有传送带传动同步带轮54，传送带电机51安装固定至机架8上，其输出端安装固定有传送带驱动同步带轮52，传送带传动同步带53张紧设于传送带驱动同步带轮52和传送带传动同步带轮54上，将驱动同步带轮52的转动同步传递至传动同步带轮54。
传送带机构5的工作过程如下：
传送带电机51输出动力，驱动传送带驱动同步带轮52转动，传送带传动同步带53张紧于传送带驱动同步带轮52和传送带传动同步带轮54上，将传送带驱动同步带轮52的转动同步传递至传送带传动同步带轮54，传动同步带轮54带动与其固连的一根作为主传送带转动轴的传送带转动轴56转动，固设在该传送带转动轴56上的各从动同步带轮57跟随该传送带转动轴56转动，带动张紧设于两根传送带转动轴56的各从动同步带轮57上的传送带59同步转动，另一根传送带转动轴56及其上固设的各从动同步带轮57也跟随传送带59同步转动；
传送带59转动的过程中，持续将落在其前端的漂浮垃圾向后提升输送，使其上的漂浮垃圾由其末端落入垃圾斗壳体61内。
优选的，还包括设于传送带从动同步带轮57与传送带59之间的传送带转动同步带55；每对传送带从动同步带轮57上对应张紧设有一条传送带转动同步带55，传送带59的内表面与传送带转动同步带55的外表面压紧贴合设置，传送带转动同步带55带动传送带59同步运动；实际设置时，每根传送带转动轴56上可设置三个均布的传送带从动同步带轮57，每对传送带从动同步带轮57上张紧设置一条传送带转动同步带55，传送带59的内表面与三条传送带转动同步带55的外表面均贴合；
此结构下，传送带电机51输出的动力传递至固设在主传送带转动轴上的各从动同步带轮57后，再分别通过对应的传送带转动同步带55传递至另一根传送带转动轴56上固设的各从动同步带轮57，使另一根传送带转动轴56同步转动，内表面与各传送带转动同步带55外表面贴合的传送带59也跟随各传送带转动同步带55同步转动。
优选的，还包括安装至机器人上的视觉处理模块1、卫星定位模块2和单片机核心控制处理器3，视觉处理模块1和卫星定位模块2与单片机核心控制处理器3数据连通，视觉处理模块1包括一个广角摄像机11和两个摄像头12；实际设置时，广角摄像机11可选用大华mv-a5501mg20，摄像头12可选用VISHINSGAN1600万自动对焦摄像头；处理模块1和卫星定位模块2用于配合获取机器人所在水域的环境信息和漂浮垃圾分布情况；
广角摄像机11用于拍照获取机器人所在水域当前天气情况图像，以及对水面拍照，获得机器人当前所在位置水面周围环境图像，并以yolov5算法对该环境图像中的目标进行感知识别，随后将识别的目标信息传输至单片机核心控制处理器3，单片机核心控制处理器3由该目标信息中获取各目标的位置，将目标与数据库内图像进行比对，得出各目标的具体物品种类，确认各目标是否为需要收集的垃圾；
两个摄像头12以双目深度测距的摄像方式获取机器人当前所在位置周围水面上的漂浮物体与机器人的实际距离；
卫星定位模块2获取机器人当前的地理位置传输至单片机核心控制处理器3，单片机核心控制处理器3结合两个摄像头12获取的漂浮物体与机器人的实际距离信息，得到漂浮物体的具体空间位置及分布情况，再结合天气情况、机器人自身电量及垃圾分布情况，以A-star蚁群融合算法处理获得当前水域的指定区域内机器人收集垃圾的最佳路径；
铲斗电机41与单片机核心控制处理器3数据连通；
当单片机核心控制处理器3收到摄像头12拍摄的同时识别有铲斗45和漂浮垃圾的图像时，单片机核心控制处理器3判定机器人处于靠近垃圾状态；此时，单片机核心控制处理器3首先控制铲斗电机41驱动短连杆42末端相对与前端向下转动，带动长连杆43的前端相对于后端向下转动的同时向前平移，进而带动铲斗45以下固定件46的转轴为轴转动，使铲斗45的后端相对于前端缓速向上转动，即使铲斗45前端缓速落下，至铲斗45的前端高度低于水面；随后，单片机核心控制处理器3控制驱动机构7推进机器人，使设定的铲斗机构4单次工作区域内的漂浮垃圾均被收集至铲斗45内；当单片机核心控制处理器3收到摄像头12拍摄的铲斗机构4单次工作区域内的漂浮垃圾均被收集至铲斗45内的图像后，单片机核心控制处理器3判定铲斗机构4该次工作结束，并控制铲斗电机41驱动短连杆42末端相对与前端向上转动，带动长连杆43的前端相对于后端向上转动的同时向后平移，进而带动铲斗45以下固定件46的转轴为轴转动，使铲斗45的后端相对于前端缓速向下转动，即使铲斗45前端缓速抬起；铲斗45前端缓速抬起的过程中，铲斗45内的水由铲斗45底板上密布开设小孔漏出，漂浮垃圾在铲斗45前端抬高至高于后端后，开始于重力作用下沿铲斗45底板后滑，直至铲斗45前端抬高到位后，铲斗45内的漂浮垃圾均转移至传送带59前端；
垃圾斗壳体61内侧壁还由其顶部沿竖直方向设有各光电传感器，电推杆63及各光电传感器均与单片机核心控制处理器3数据连通；
当机器人确认到达漂浮垃圾卸除地点时，单片机核心控制处理器3控制电推杆63伸长，使垃圾斗门69沿垃圾壳体导轨611上滑，垃圾斗壳体61后端垃圾出口敞开，垃圾斗壳体61内堆积于垃圾斗门69处的漂浮垃圾由垃圾出口卸除；
每个光电传感器包括一个光电信号发生器和一个光电信号感应器，分别等高设于垃圾斗壳体61内相对的两侧壁上，用于监测垃圾斗壳体61的空余容量；当某个光电信号感应器失去信号时，垃圾斗壳体61内收集的垃圾高度达到该光电信号感应器对应的高度，当位于顶部的光电信号感应器失去信号时，垃圾斗壳体61满载，此时，单片机核心控制处理器3调整机器人为满载状态，控制摄像头12结束对该区域的搜索，并根据机器人所在位置和垃圾收集点的位置，控制机器人按指定的返程路线返程；
机器人工作的过程中，单片机核心控制处理器3还可根据垃圾斗壳体61的空余容量对摄像头12的搜索区域大小进行实时调控，当垃圾斗壳体61的空余容量较大时，摄像头12进行较大区域的搜索，当垃圾斗壳体61的空余容量减小时，单片机核心控制处理器3可相应控制摄像头12缩小搜索区域；
实际设置时，应至少于垃圾斗壳体61内侧壁的顶部和中部各设一个光电传感器，当设于垃圾斗壳体61内中部的光电信号感应器失去信号时，垃圾斗壳体61空余容量不足半，当设于垃圾斗壳体61内顶部的光电信号感应器失去信号时，垃圾斗壳体61满载。
驱动机构7还包括分别用于测量驱动电机71输出端转速及螺旋滚筒77转速的电机转速传感器及滚筒转速传感器，驱动电机71、电机转速传感器及滚筒转速传感器均与单片机核心控制处理器3数据连通；
电机转速传感器和滚筒转速传感器将测得的驱动电机71输出端转速及螺旋滚筒77转速实时反馈至单片机核心控制处理器3，并由单片机核心控制处理器3对驱动电机71进行控制，实现驱动电机71输出端转速的实时调节；单片机核心控制处理器3通过两侧驱动电机71输出转速的调节，驱动两个螺旋滚筒77在各种转速组合下协同作用，来控制机器人的运动路径，以使机器人按最优巡航路径前往指定的垃圾收集区域；
根据不同工作环境及运动需要，机器人有下述运动形式：
水中向前或向后直行：两驱动电机71分别驱动两螺旋滚筒77以设定的转速等速、反向旋转，因两螺旋滚筒77上的螺旋叶片对称设为反向，两螺旋滚筒77等速反向旋转时，机器人获得的向左及向右的驱动力相互抵消，机器人向前或向后直行，向前或向后的方向由螺旋滚筒77的转速方向和螺旋叶片的旋向共同决定；
水中向左或向右转弯：左侧或右侧驱动电机71的转速降低至设定值，左侧或右侧螺旋滚筒77的转速相应降低，机器人右侧或左侧的驱动力大于左侧或右侧的驱动力，两侧驱动力的合力产生驱动机器人向前移动的前推力及驱动机器人向左或向右转动的转向力矩，使机器人在向前移动的同时向左或向右转动；
水中向左或向右转动：两驱动电机71分别驱动两螺旋滚筒77以设定的转速等速、同向旋转，因两螺旋滚筒77上的螺旋叶片对称设为反向，两螺旋滚筒77等速同向旋转时，机器人获得的向前及向后的驱动力相互抵消，机器人于原地向左或向右转动；
由水中向沙滩上转移：两驱动电机71的转速适当降低，以提高两驱动电机71的驱动力矩，使得原本用于排开水获得动力的螺旋滚筒77排开沙获得动力，使机器人由水中转移至沙滩上；
该转移过程可由广角摄像机11检测到环境变化，并由摄像头12拍照反馈至单片机核心控制处理器3，单片机核心控制处理器3将摄像头12拍照反馈的图像与预设图像比对确认后触发，无需人为干预；
机器人在沙滩上除可以相同于在水中的方式向前或向后直行、向左或向右转弯及向左或向右转动，还可实现沙滩左平移或右平移：两驱动电机71分别驱动两螺旋滚筒77以设定的转速等速同向转动，使两螺旋滚筒77于沙滩上同步向左或向右滚动，带动机器人左平移或右平移。
如图6～图8所示，上述螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人的控制方法包括以下步骤：
步骤1：通过卫星定位模块获取海洋二维地图，在海洋二维地图中，以机器人的出发点为原点，以经过出发点的纬线为x轴，以经过出发点的经线为y轴，建立平面坐标系；路径规划中提到的坐标都是相对于此坐标系。
设定单个机器人的工作区域的边长为L；
以边长L的正方形区域对目标清理水域的外接矩形S进行分割后，得到N个待清理的小水域，从而确定当前清理任务所需的机器人数量为N；
在平面坐标系中，获得N个小水域的中心点集合C＝{c1,c2,...,ci,...,cN}和N个机器人的出发点分别与N个小水域中心点之间的距离R＝{R1,R2,...,Ri,...,RN}，其中，ci表示第i个小水域的中心点坐标，Ri表示第i个机器人的出发点与第i个小水域的中心点之间的距离；
初始化i＝1；开始循环，终端将核对每一个小水域是否在机器人的最大工作范围内。
步骤2：若Ri＞Rmax，则表示待清理的小水域位置与第i个机器人出发点的距离超过允许值Rmax，单片机核心控制处理器3利用显示模块提示无法清理第i个小水域，并将i+1赋值给i后，返回步骤2，直到i>N为止，结束流程；否则，单片机核心控制处理器3利用显示模块提示接受第i个小水域的清理任务，并将第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)发送至第i个机器人；其中，W为天气因子；
步骤3：当第i个机器人接收到第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)并存储至数据库中，并根据自身电池的当前剩余电量Ei和垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi，利用式(2)计算第i个机器人的当前状态Ψi：
Ψi＝W×(e×Ei+v×Vi-m×Mi-r×Ri-s×L2) (2)
式(2)中，e为剩余电量因子，v为体积因子，m为质量因子，r为距离因子，s为面积占比因子；
步骤4：若Ψi＜Ψ0，则单片机核心控制处理器3利用显示模块提示第i个机器人无法满足出发条件，第i个机器人结束流程；否则，执行步骤5；通过与提前设定的出发标准值进行对比，判断机器人的状态是否合适进行工作。
步骤5：单片机核心控制处理器3利用式(3)获得第i个机器人的工作区域si：
Figure BDA0003861487590000151
式(3)中，(xi,yi)为第i个小水域的中心点ci的坐标；(x,y)为平面坐标系中任意一个坐标点；
步骤6：卫星定位模块获得第i个机器人的当前位置坐标Ro(x0,y0)并判断是否属于工作区域si内，若是，则表示第i个机器人已经到达第i个小水域，单片机核心控制处理器3发送启动信号给第i个机器人开始工作，否则，表示第i个机器人还未到达第i个小水域，单片机核心控制处理器3发送启动信号给第i个机器人并驱动第i个机器人以ci为终点进行行驶，直到第i个机器人到达第i个小水域为止；
步骤7：第i个机器人上的广角摄像机对四周进行全景拍摄，并将图像传输至视觉处理模块中进行分析，其中视觉处理模块对广角摄像头采集到的图像进行初步识别，将障碍物以及垃圾初步识别出来并且通过导航模块确定垃圾所处的方位，再通过双目测距判断出距离最近的垃圾的位置信息，获得垃圾和障碍物相对于第i个机器人的位置图像并传输至单片机核心控制处理器3；
步骤8：单片机核心控制处理器3根据所接收的位置图像，并通过双目摄像头测距以及GPS导航模块获得垃圾和障碍物在平面坐标系中的位置坐标，根据欧式距离，双目摄像头测到垃圾与机器人的距离之后通过广角图像判断出垃圾与机器人在平面坐标系中的方位角，通过GPS导航确定机器人具体位置信息，通过机器人具体位置信息以及垃圾相对于机器人的方位角以及距离便可通过机器人的单片机核心处理器3计算出垃圾的具体位置信息，从而通过避障算法规划第i个机器人到垃圾之间的路径，并控制驱动模块工作，使得第i个机器人按照规划的路径移动至垃圾所在的位置；
步骤9：第i个机器人到达垃圾所在的位置后，驱动铲斗电机41反向输出力矩，使得铲斗45达到水面下的最低位置，并利用自身双目摄像头获取铲斗和垃圾的共同图像后发送给视觉处理模块进行识别处理，双目摄像头测量到垃圾与机器人之间的距离后将该距离发送给单片机核心处理器3进行步骤8中位置信息的计算，得到平面坐标系中的垃圾边缘线的位置坐标和铲斗所在区域的位置坐标；
步骤10：单片机核心控制处理器3根据视觉处理模块的处理结果进行判断：若垃圾边缘线上的任意一点坐标Bk(xk,yk),均在铲斗所在区域的位置坐标内，则第i个机器人驱动铲斗电机41正向输出力矩，使得铲斗45收起并捞取垃圾；
否则，从垃圾边缘线上获取与铲斗中心位置坐标B0(xb,yb)距离最远的坐标点B1(x1,y1)并移动距离
Figure BDA0003861487590000171
沿着由中心位置B0(xb,yb)指向铲斗所在区域外的点的方向，从而控制第i个机器人朝向最远坐标点的方向进行移动，并在达到相应位置后，第i个机器人收起铲斗45并捞取垃圾；
上述收起铲斗45并捞取垃圾的动作过程具体为：铲斗电机41驱动短连杆42末端相对与前端向上转动，带动长连杆43的前端相对于后端向上转动的同时向后平移，进而带动铲斗45以下固定件46的转轴为轴转动，使铲斗45前端由水中抬起；铲斗45前端缓速抬起的过程中，铲斗45内的水由铲斗45底板上密布开设小孔漏出，漂浮垃圾在铲斗45前端抬高至高于后端后，开始于重力作用下沿铲斗45底板后滑，直至铲斗45前端抬高到位后，铲斗45内的漂浮垃圾均转移至传送带59前端；
步骤11：第i个机器人将铲斗45内的垃圾落在传送带上，并利用双目摄像机获取传送带上的图像并进行垃圾识别检测，若未检测到垃圾，则单片机核心控制处理器3停止传送带电机51，否则，启动传送带电机51并驱动传送带匀速转动，使得垃圾运输至垃圾斗壳体61中；
步骤12：单片机核心控制处理器3根据传感器所采集的信息，更新垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi自身电池的当前剩余电量Ei，并判断Ei＜E0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤13；其中，E0许用电量值；
步骤13：判断Vi＜V0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤14；其中，V0许用剩余空间容量；
步骤14：判断Mi＞M0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤15；
步骤15：判断W＜W0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，返回步骤7顺序执行；其中，W0为许用天气值；
步骤16：单片机核心控制处理器3通过卫星定位模块接收第i个机器人的位置坐标和返程终点的位置坐标并规划返程路径后返程；其中，M0表示许用质量；返程终点为沙滩上的垃圾收集区的中心点；
步骤17：当单片机核心控制处理器3检测到第i个机器人与返程终点的位置坐标间的距离L终小于设定值R终时，利用双目摄像头拍摄当前海面图像并发送给视觉处理模块进行海平面测距，通过双目摄像头的视野测距以及机器人自身的高度，得到当前海面图像中陆地区域面积；
若陆地区域面积与图像总面积之比Sland大于标准值S0时，则判定为第i个机器人进入浅滩地带，并执行步骤18；否则，获取下一海面图像并继续判断；
步骤18：单片机核心控制处理器3控制驱动模块的驱动电机将转速降低至陆地行进标准转速ωl，同时第i个机器人利用速度传感器获取前进速度V并进行判断：若V＜V0，则驱动电机继续降低转速至陆地最大驱动力转速
Figure BDA0003861487590000182
使得第i个机器人在沙滩上减速行进；并执行步骤19；否则，表示第i个机器人在沙滩上正常行进，并执行步骤20；其中，V0表示标准速度；
步骤19：若V＜Vmin，则向服务器发送沙滩行进异常的信息，并驱动电机停止工作；否则，单片机核心控制处理器3控制第i个机器人按照Vmin在沙滩上行进，执行步骤20；其中，Vmin表示沙滩行进最低速度；
步骤20：单片机核心控制处理器3根据自身的位置信息Ro′(x′,y′)与垃圾收集区域的位置P，判断Ro′(x′,y′)∈P是否成立，若成立，表示第i个机器人处于垃圾收集区中，并开启垃圾斗门，并完成垃圾倾倒并进行步骤21；
否则，单片机核心控制处理器3控制驱动机构沿着由Ro'指向垃圾收集区域P中心的位置P中(xp,yp)并移动距离
Figure BDA0003861487590000181
从而控制第i个机器人继续朝向返程终点的方向进行移动后，返回步骤20；
步骤21：第i个机器人完成垃圾后，单片机核心控制处理器3根据获取的传感器信息，更新当前垃圾斗内质量Mi并判断Mi＝0是否成立，若成立，则第i个机器人通过服务器发送“垃圾倾倒已完成”给用户端，结束工作；否则，则机器人通过服务器发送“垃圾倾倒未完成”的信息至APP中，工作结束。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：包括用于驱动机器人行进的驱动机构(7)和用于收集垃圾的铲斗机构(4)；
所述铲斗机构(4)包括铲斗电机(41)、短连杆(42)、长连杆(43)、上固定件(44)、铲斗(45)和下固定件(46)；所述铲斗电机(41)安装固定至机器人的机架(8)上，其输出端与所述短连杆(42)前端连接固定，所述长连杆(43)的前端和末端分别与短连杆(42)的末端及上固定件(44)转动连接，所述铲斗(45)呈斗状结构，连接固定至所述上固定件(44)上，其外侧固设有所述下固定件(46)，所述下固定件(46)转动安装，使所述铲斗(45)仅能绕下固定件(46)的转轴转动。
2.根据权利要求1所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：所述铲斗机构(4)的铲斗电机(41)、短连杆(42)、长连杆(43)、上固定件(44)和下固定件(46)均成对对称设置，一对所述长连杆(43)的前端之间和末端之间还各设有一根铲斗连杆(47)，所述铲斗连杆(47)的两端分别与一对短连杆(42)的末端转动连接，或分别与一对长连杆(43)的末端转动连接。
3.根据权利要求2所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：所述驱动机构(7)包括一对对称设于所述机器人两侧的螺旋滚筒(77)及一对用于分别驱动螺旋滚筒(77)转动的驱动结构；所述螺旋滚筒(77)中部呈圆筒状结构，该圆筒状结构外围设有螺旋叶片；所述螺旋滚筒(77)转动安装至机器人的机架(8)上，且与所述驱动结构的输出端安装固定。
4.根据权利要求3所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：所述驱动结构包括驱动电机(71)、驱动同步带轮(72)、驱动同步带(74)和传动同步带轮(75)；所述驱动电机(71)安装固定至机器人的机架(8)上，其输出端连接固定有所述驱动同步带轮(72)，所述传动同步带轮(75)作为驱动结构的输出端，安装固定至螺旋滚筒(77)端部，所述驱动同步带(74)张紧设于驱动同步带轮(72)和传动同步带轮(75)上。
5.根据权利要求3所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：还包括用于存放垃圾的垃圾斗机构(6)，所述垃圾斗机构(6)包括垃圾斗壳体(61)、连接杆(66)、垃圾斗门(69)和一对对称设置的推杆结构；所述垃圾斗壳体(61)呈后侧及顶部敞口的箱状结构，所述垃圾斗门(69)的底部两侧各转动连接有一个垃圾斗门滑块，两个所述垃圾斗门滑块分别与垃圾斗壳体(61)后端两内侧处设置的垃圾斗门滑轨滑动配合连接，所述垃圾斗壳体(61)的底板由前至后向下倾斜设置，所述连接杆(66)两端均与垃圾斗壳体(61)转动安装；
所述推杆结构包括电推杆固定件(62)、电推杆(63)、垃圾斗短连杆(64)和垃圾斗长连杆(67)；所述电推杆固定件(62)位于垃圾斗壳体(61)侧面，安装固定至所述机架(8)或垃圾斗壳体(61)上，所述电推杆(63)的前端和末端分别与电推杆固定件(62)及垃圾斗短连杆(64)的前端转动连接，所述连接杆(66)的两端分别与同侧的垃圾斗短连杆(64)末端及垃圾斗长连杆(67)前端连接固定，所述垃圾斗长连杆(67)末端与垃圾斗门(69)的顶部两侧转动连接。
6.根据权利要求5所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：所述垃圾斗门(69)的两侧分别设有滑动滚子，所述垃圾斗壳体(61)的内侧壁相应开设一体式的垃圾斗壳体导轨(611)，所述垃圾斗门(69)与垃圾斗壳体(61)通过滑动滚子和垃圾斗壳体导轨(611)滑动配合连接。
7.根据权利要求5所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：还包括用于将垃圾由所述铲斗机构(4)向垃圾斗机构(6)输送的传送带机构(5)，所述传送带机构(5)包括传送带电机(51)、传送带驱动同步带轮(52)、传送带传动同步带(53)、传送带传动同步带轮(54)、传送带转动轴(56)、传送带从动同步带轮(57)和传送带(59)；
一对所述传送带转动轴(56)平行设置，转动安装至所述机架(8)上；所述传送带从动同步带轮(57)成对设置，每对传送带从动同步带轮(57)分别固设于两根传送带转动轴(56)上，所述传送带(59)张紧设于一对传送带转动轴(56)上设置的传送带从动同步带轮(57)上，其前端和末端分别与铲斗(45)的末端及垃圾斗壳体(61)顶部的敞口连通；
一对所述传送带转动轴(56)中任一作为主传送带转动轴，端部固设有传送带传动同步带轮(54)，所述传送带电机(51)安装固定至所述机架(8)上，其输出端安装固定有传送带驱动同步带轮(52)，所述传送带传动同步带(53)张紧设于传送带驱动同步带轮(52)和传送带传动同步带轮(54)上。
8.根据权利要求7所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：还包括设于所述传送带从动同步带轮(57)与传送带(59)之间的传送带转动同步带(55)；每对所述传送带从动同步带轮(57)上对应张紧设有一条传送带转动同步带(55)，所述传送带(59)的内表面与传送带转动同步带(55)的外表面压紧贴合设置。
9.根据权利要求7所述的螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人，其特征在于：还包括安装至所述机器人上的视觉处理模块(1)、卫星定位模块(2)和单片机核心控制处理器(3)，所述视觉处理模块(1)和卫星定位模块(2)与单片机核心控制处理器(3)数据连通，所述视觉处理模块(1)包括一个广角摄像机(11)和两个摄像头(12)；所述处理模块(1)和卫星定位模块(2)用于配合获取机器人所在水域的环境信息和漂浮垃圾分布情况；
所述垃圾斗壳体(61)内侧壁由其顶部沿竖直方向设有各光电传感器，所述驱动机构(7)还包括分别用于测量驱动电机(71)输出端转速及螺旋滚筒(77)转速的电机转速传感器及滚筒转速传感器，所述铲斗电机(41)、电推杆(63)、各光电传感器、驱动电机(71)、电机转速传感器及滚筒转速传感器均与单片机核心控制处理器(3)数据连通。
10.一种螺旋推进式海陆两栖垃圾清理智能机器人的控制方法，用于控制如权利要求9所述的机器人进行垃圾清理，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过卫星定位模块获取海洋二维地图，在所述海洋二维地图中，以机器人的出发点为原点，以经过所述出发点的纬线为x轴，以经过所述出发点的经线为y轴，建立平面坐标系；
设定单个机器人的工作区域的边长为L；
以边长L的正方形区域对目标清理水域的外接矩形S进行分割后，得到N个待清理的小水域，从而确定当前清理任务所需的机器人数量为N：
在所述平面坐标系中，获得N个小水域的中心点集合C＝{c1,c2,...,ci,...,cN}和N个机器人的出发点分别与N个小水域中心点之间的距离R＝{R1,R2,...,Ri,...,RN}，其中，ci表示第i个小水域的中心点坐标，Ri表示第i个机器人的出发点与第i个小水域的中心点之间的距离；
初始化i＝1；
步骤2：若Ri＞Rmax，则表示待清理的小水域位置与第i个机器人出发点的距离超过允许值Rmax，所述单片机核心控制处理器(3)利用显示模块提示无法清理第i个小水域，并将i+1赋值给i后，返回步骤2，直到i>N为止，结束流程；否则，所述单片机核心控制处理器(3)利用显示模块提示接受第i个小水域的清理任务，并将第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)发送至第i个机器人；其中，W为天气因子；
步骤3：当第i个机器人接收到第i号区域信息Si(Ri,ci,L2,W)并存储至数据库中，并根据自身电池的当前剩余电量Ei和垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi，利用式(2)计算第i个机器人的当前状态Ψi：
Ψi＝W×(e×Ei+v×Vi-m×Mi-r×Ri-s×L2) (2)
式(2)中，e为剩余电量因子，v为体积因子，m为质量因子，r为距离因子，s为面积占比因子；
步骤4：若Ψi＜Ψ0，则所述单片机核心控制处理器(3)利用显示模块提示第i个机器人无法满足出发条件，第i个机器人结束流程；否则，执行步骤5；
步骤5：所述单片机核心控制处理器(3)利用式(3)获得第i个机器人的工作区域si：
Figure FDA0003861487580000041
式(3)中，(xi,yi)为第i个小水域的中心点ci的坐标；(x,y)为所述平面坐标系中任意一个坐标点；
步骤6：所述卫星定位模块获得第i个机器人的当前位置坐标Ro(x0,y0)并判断是否属于工作区域si内，若是，则表示第i个机器人已经到达第i个小水域，所述单片机核心控制处理器(3)发送启动信号给第i个机器人开始工作，否则，表示第i个机器人还未到达第i个小水域，所述单片机核心控制处理器(3)发送启动信号给第i个机器人并驱动第i个机器人以ci为终点进行行驶，直到第i个机器人到达第i个小水域为止；
步骤7：第i个机器人上的广角摄像机对四周进行全景拍摄，并将图像传输至视觉处理模块中进行分析，获得垃圾和障碍物相对于第i个机器人的位置图像并传输至单片机核心控制处理器(3)；
步骤8：所述单片机核心控制处理器(3)根据所接收的位置图像，并获得垃圾和障碍物在所述平面坐标系中的位置坐标，从而通过避障算法规划第i个机器人到垃圾之间的路径，并控制所述驱动模块工作，使得第i个机器人按照规划的路径移动至垃圾所在的位置；
步骤9：第i个机器人到达垃圾所在的位置后，驱动铲斗电机(41)反向输出力矩，使得铲斗(45)达到水面下的最低位置，并利用自身双目摄像头获取铲斗和垃圾的共同图像后发送给视觉处理模块进行处理，得到所述平面坐标系中的垃圾边缘线的位置坐标和铲斗所在区域的位置坐标；
步骤10：所述单片机核心控制处理器(3)根据视觉处理模块的处理结果进行判断：若垃圾边缘线上的任意一点坐标Bk(xk,yk),均在铲斗所在区域的位置坐标内，则第i个机器人驱动铲斗电机(41)正向输出力矩，使得铲斗(45)收起并捞取垃圾；否则，从垃圾边缘线上获取与铲斗中心位置坐标B0(xb,yb)距离最远的坐标点B1(x1,y1)并移动距离
Figure FDA0003861487580000042
其中xb和yb为铲斗中心位置坐标，该坐标可以随时移动。沿着由中心位置B0(xb,yb)指向铲斗所在区域外的点的方向，从而控制所述第i个机器人朝向最远坐标点的方向进行移动，并在达到相应位置后，第i个机器人收起铲斗(45)并捞取垃圾；带动短连杆(42)自上向船体一侧旋转，长连杆(43)和上固定件(44)上在短连杆(42)的作用下一起运动，铲斗上部受力，前端从水中抬起，水通过铲斗底部空洞漏走，垃圾留在铲斗内；
步骤11：第i个机器人将铲斗(45)内的垃圾落在传送带上，并利用双目摄像机获取传送带上的图像并进行检测，若未检测到垃圾，则所述单片机核心控制处理器(3)停止所述传送带电机(51)，否则，启动所述传送带电机(51)并驱动传送带匀速转动，使得垃圾运输至垃圾斗壳体(61)中；
步骤12：所述单片机核心控制处理器(3)根据传感器所采集的信息，更新垃圾斗内的当前剩余空间容量Vi和垃圾斗内的当前垃圾质量Mi自身电池的当前剩余电量Ei，并判断Ei＜E0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤13；其中，E0许用电量值；
步骤13：判断Vi＜V0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤14；其中，V0许用剩余空间容量；
步骤14：判断Mi＞M0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，执行步骤15；
步骤15：判断W＜W0是否成立，若成立，则执行步骤16，否则，返回步骤7顺序执行；其中，W0为许用天气值；
步骤16：所述单片机核心控制处理器(3)通过卫星定位模块接收第i个机器人的位置坐标和返程终点的位置坐标并规划返程路径后返程；其中，M0表示许用质量；所述返程终点为沙滩上的垃圾收集区的中心点；
步骤17：当所述单片机核心控制处理器(3)检测到第i个机器人与返程终点的位置坐标间的距离L终小于设定值R终时，利用双目摄像头拍摄当前海面图像并发送给视觉处理模块进行处理，得到当前海面图像中陆地区域面积；
若陆地区域面积与图像总面积之比Sland大于标准值S0时，则判定为第i个机器人进入浅滩地带，并执行步骤18；否则，获取下一海面图像并继续判断；
步骤18：所述单片机核心控制处理器(3)控制所述驱动模块的驱动电机将转速降低至陆地行进标准转速ωl，同时第i个机器人利用速度传感器获取前进速度V并进行判断：若V＜V0，则驱动电机继续降低转速至陆地最大驱动力转速
Figure FDA0003861487580000051
使得第i个机器人在沙滩上减速行进；并执行步骤19；否则，表示第i个机器人在沙滩上正常行进，并执行步骤20；其中，V0表示标准速度；
步骤19：若V＜Vmin，则向服务器发送沙滩行进异常的信息，并驱动电机停止工作；否则，所述单片机核心控制处理器(3)控制第i个机器人按照Vmin在沙滩上行进，执行步骤20；其中，Vmin表示沙滩行进最低速度；
步骤20：所述单片机核心控制处理器(3)根据自身的位置信息Ro′(x′,y′)与垃圾收集区域的位置P，判断Ro′(x′,y′)∈P是否成立，若成立，表示第i个机器人处于垃圾收集区中，并开启垃圾斗门，并完成垃圾倾倒并进行步骤21；
否则，所述单片机核心控制处理器(3)控制驱动机构沿着由Ro'指向垃圾收集区域P中心的位置P中(xp,yp)并移动距离
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步骤21：第i个机器人完成垃圾后，所述单片机核心控制处理器(3)根据获取的传感器信息，更新当前垃圾斗内质量Mi并判断Mi＝0是否成立，若成立，则第i个机器人通过服务器发送“垃圾倾倒已完成”给用户端，结束工作；否则，则机器人通过服务器发送“垃圾倾倒未完成”的信息至APP中，工作结束。
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