CN215405957U - 一种水上无人垃圾收集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水上垃圾清理设备技术领域，公开了一种水上无人垃圾收集装置，甲板设置有密封双层套壳平台，密封双层套壳平台下端固定有四个垃圾收集筒，垃圾收集筒上设置有垃圾收集槽；甲板上设置有探测模块，GPS模块、上位机；垃圾收集筒上端设置有吃水线控制系统，吃水线控制系统中设置有动力系统。动力系统设置有多套筒液压连杆，多套筒液压连杆中间位置设置有不锈钢芯轴；不锈钢芯轴上部通过焊接的方式连接可压缩的拦网，不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组连接。本实用新型无人垃圾船结构，从而在无人作业的基础上最大化实现了对作业面积和作业效率的提升，去掉人力成本的同时使得作业成本大幅度降低。

Description

一种水上无人垃圾收集装置

技术领域

本实用新型属于水上垃圾清理设备技术领域，尤其涉及一种水上无人垃圾收集装置。

背景技术

目前，水上垃圾指海洋、江河和近岸处持久存在，难以被溶解、人造的或经加工的漂浮固体废弃物。水上垃圾影响海洋表面的美观程度，且密集处甚至会威胁航行船只的安全，并对相关水文生态系统的健康产生影响，如近年广为出现的海龟，水鸟误食塑料等生态事故，进而对整个水文经济产生负面效应。

现阶段水上垃圾处理的主要方法为水上船舶收集法。水上漂浮垃圾主要包括塑料袋、漂浮木块、浮标和塑料瓶等。垃圾一旦进入海洋等宽阔的水域便会具备持续性强和扩散范围广两个特点，这两个特点加大了水上船舶收集垃圾的难度。同时，水上收集垃圾时对船只的技术要求也很高，由于一些水域垃圾较为密集，密度较大，作业船只需要能形成高速水流通道，同时还要具备翻斗设备和可升降聚集箱，这样才能将漂浮在该水域上的垃圾聚集起来。国内无人船用途多为测绘、水文和水质监测，在水上垃圾清理方面自动化作业装置应用较少。为了解决上的问题，目前现有技术如下：

现有专利CN201810594404。6(一种自动寻路的海上垃圾收集机器人)中需要先感应海浪的压力大小，传回数值，再由控制模块中的系统进行分析判断机器人是否适合海上做业，从而保证作业安全性。而本专利则直接通过提升装置的灵活性与抗环境影响能力提高安全性。本作业装置的整体重心偏下，四个圆筒状收纳垃圾使得整个作业设备为对称结构，保证了在海上该装置可较稳定运行，且可通过筒内收纳物的重量和螺旋桨转速实现自行升降改变控制吃水位置，维持吃水线，动力系统可以抵抗水流影响，并实现全向移动。

现有专利CN201710345642。9(海上垃圾清理器)中利用电机带动传动杆转动，传动杆又带动上面的悬浮臂开始在水面旋转，使得周围海水沿漩涡型流动，海上的垃圾受到旋转向心力作用，通过动力牵引箱上的垃圾入口与海水一起进入内部，海水通过悬浮臂另一端的排水口流出，垃圾则被带入垃圾内箱存放，完成垃圾收集。与之相比，本专利利用四个螺旋桨电机转速的不同来控制涡流，实现对于装置运动方向和速度的控制，并在运动过中产生区域流畅，使垃圾与海水一起进入内部，收集完毕后关闭滤网，螺旋桨再正方向转动抽出海水，保留垃圾于圆筒内，再关闭整个进入口，回复正常行驶状态。通过这一方式，垃圾的收集效率将得到提升，装置运动也更为灵活。

现有专利CN201811513095。1(一种兼有环境监测的海上浮游垃圾收集装置)中四角装有激光雷达，装置也搭载了GPS定位系统，用于搜索垃圾，修正航向，与之相比，本专利的感应探测装置还增加了水下的红外探测装置，新增装置可用于搜索水下悬浮垃圾，规避礁石等可能对装置产生损坏的潜在危险，提高作业效率的同时也保证了工作时的安全性。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点，可以较好的避免礁石危险。但是现有技术中垃圾收集装置在使用过程中，作业面积和作业效率低下，同时增加了作业成本。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术中垃圾收集装置在使用过程中，作业面积和作业效率低下，同时增加了作业成本。

解决以上问题及缺陷的意义为：

减少成本,同时提高效率,增加单一工作单元的功能性和实用性。

而且另一方面,我们一劳永逸的解决了人工成本的投入,该装置可以自行规划路径,进行自主巡航和回归充电,所以如果不发生较大的变故,无需人进行维护,即可保证一大片水域的水域洁净度。

现有的自动化垃圾船仅仅能够单一方向对垃圾进行收集,而我们的垃圾船,除了成本低载重量高以外,还可以在四个方向上同时收集垃圾。

现有的技术基本是依靠人来进行收集,一方面,人来收集增加了人力成本,降低了效率,另一方面,一旦进入广阔的水域,人力有所不及,本实用新型主要解决的就是,广阔水域,垃圾总量较大,但是分布较为离散的情况下,进行海洋垃圾以及大面积湖泊的垃圾收集。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种水上无人垃圾收集装置。

本实用新型是这样实现的，一种水上无人垃圾收集装置，所述水上无人垃圾收集装置设置有甲板；甲板设置有密封双层套壳平台，密封双层套壳平台下端固定有四个垃圾收集筒，垃圾收集筒上设置有垃圾收集槽；

甲板上设置有探测模块，GPS模块、上位机；垃圾收集筒上端设置有吃水线控制系统，吃水线控制系统中设置有动力系统。

进一步，所述螺旋桨以对角线方式相对排列安装在底部四个空腔内部，电池安装在同一位置。

进一步，所述动力系统设置有多套筒液压连杆，多套筒液压连杆中间位置设置有不锈钢芯轴；

不锈钢芯轴上部通过焊接的方式连接可压缩的拦网，不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组连接，可压缩的拦网为平行四边形链锁网格所编织的拦网。

进一步，所述吃水线控制系统设置有中空腔体，中空腔体底侧固定有密封块；中空腔体内部固定有液压杆，中空腔体上端设置有胶皮管。

进一步，所述探测模块设置有激光雷达、红外传感器、机器视觉模组；

所述激光雷达和机器视觉模组分布在密封双层套壳平台四角高于水面部分。

进一步，红外传感器包括一块透镜、一个红外接收芯片、一个模数转换芯片和一个单刀双掷开关以及一些晶振极片、电容、电阻以及电感；

机器视觉模组为270度云台和双目摄像头组合。

进一步，所述垃圾收集筒底部固定有电机，电机输出轴与螺旋桨连接。

进一步，所述垃圾收集筒下端固定有回收平台龙骨。

结合上述的所有技术方案，本实用新型所具备的优点及积极效果为：

本实用新型无人垃圾船结构，从而在无人作业的基础上最大化实现了对作业面积和作业效率的提升，去掉人力成本的同时使得作业成本大幅度降低。

本实用新型中四个螺旋桨以对角线方式相对排列安装在底部四个空腔内部，电池安装在同一位置，保证其可以通过调节转速抵抗水流影响，并实现全向移动。

本实用新型拦网仅在最下部分，随着垃圾的收集越来越多拦网也随之上升，将上层垃圾隔出水面的同时，也为继续收集垃圾提供了空间、不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组连接，当首层垃圾满载时，离合套组与芯轴耦合，使得芯轴上升带动整个系统上升，使得空载的第二层替代满载的首层位于水面及水面以下垃圾最大概率出现的地方。

本实用新型中红外传感器全程实时监控水下环境，发现有可能造成危险的目标后随时更改航线，以规避水下暗礁等危险源。

本实用新型在平台的四角即动力模组上方高于水面部分布置的激光雷达及机器视觉模组，激光雷达对放置方向上的270度的水面进行三维重建，标记非水纹形态的突起和凹陷。完成标记之后，以笛卡尔右手正手坐标系标准像素坐标的形式传递给机器视觉模组，使其完成对于垃圾的确定和行动路径的规划，从而驱动动力系统进行相应控制开始垃圾收集。

本实用新型通过四个螺旋桨电机的转速不同来控制涡流从而实现对于装置运动方向和速度的控制。

本实用新型中垃圾收集筒下端固定有回收平台龙骨，可以降低重心，防止圆筒中垃圾较多时产生中心不稳的问题；同时，回收垃圾时动力不均衡，需要该龙骨起到保持装置结构稳定的作用。

本实用新型首创的将激光雷达,红外,已及双目视觉融合神经网络结合所以是跨时代的产物,先进性和优越性是其他方案所无法比拟的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的水上无人垃圾收集装置结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的水上无人垃圾收集装置俯视图。

图3是本实用新型实施例提供的吃水线控制系统结构示意图。

图4是本实用新型实施例提供的探测模块结构示意图。

图5是本实用新型实施例提供的动力系统结构示意图。

图6是本实用新型实施例提供的水上无人垃圾收集装置立体结构示意图。图中：1、GPS模块；2、激光雷达；3、垃圾收集筒；4、电机；5、螺旋桨；6、回收平台龙骨；7、红外传感器；8、甲板；9、液压杆；10、胶皮管；11、密封块；12、中空腔体；13、机器视觉模组；14、电子离合套组；15、可压缩的拦网。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种水上无人垃圾收集装置，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

如图1-图2所示，本实用新型实施例提供的水上无人垃圾收集装置中甲板8四个角分别设计了密封双层套壳平台，密封双层套壳平台下端固定有四个垃圾收集筒3，垃圾收集筒3上设置有垃圾收集槽，垃圾收集筒3下端固定有回收平台龙骨6；垃圾收集筒3底部固定与电机4，电机4输出轴与螺旋桨5连接；四个螺旋桨以对角线方式相对排列安装在底部四个空腔内部，电池安装在同一位置，保证其可以通过调节转速抵抗水流影响，并实现全向移动；垃圾收集筒3底端面设置有红外传感器7；甲板8上侧固定有GPS模块1、激光雷达2、上位机。

红外传感器7包括光学系统、检测元件和转换电路。回收平台龙骨6应采用坚固，质量大的材料，以降低重心，防止圆筒中垃圾较多时产生中心不稳的问题；同时，回收垃圾时动力不均衡，需要该龙骨起到保持装置结构稳定的作用。甲板8安装部分电路以及上位机的部分模块，可实时处理大部分图像信息与位置信息，保证即使遭遇暴风暴雪等信号不好的突发情况时也有一定的自主运行能力。

在出发向既定水域行驶时：控制中心利用GPS模块1对本装置的位置进行定位后规划计算航线，航行前往既定位置途中红外传感器 7全程实时监控水下环境，发现有可能造成危险的目标后随时更改航线，以规避水下暗礁等危险源。其中GPS模块1用于根据卫星定位提供给上位机位置信息，激光雷达用于提供给上位机周围海面相关图像信息，以提供回收的垃圾位置。

到达水域正常工作时：由激光雷达2传回由四角的四个激光雷达所拍摄的四周相关水面图像信息，图像处理模块处理后选定要处理的垃圾目标，确定其位置后，经由计算后给出相应的合适路线，过程中根据红外传感器7给出的相关障碍物信息调整路线，避免发生碰撞等事故发生，到达位置后控制四个螺旋桨5电机的转速不同从而控制涡流，实现对于装置运动方向和速度的控制。而在装置运动向垃圾的过程中，在前方将产生向后的区域流场，当垃圾与装置接近到一定距离之后，垃圾自然会进入装置的内部并被拦网拦在收集槽内，实现水上垃圾的收集工作。

如图3所示，本实用新型实施例提供的吃水线控制系统中垃圾收集筒3上设置有中空腔体12，中空腔体12底侧固定有密封块11；中空腔体12内部固定有液压杆9，中空腔体12上端设置有胶皮管10。

由于的下置式电机和螺旋桨设计，导致装置整机重心向下，为了实现对于整个装置的重心和实时吃水线控制，在四个角分别设计了密封双层套壳平台。对供应螺旋桨转动的电机4利用一个电子离合器来进行异步控制。当垃圾还未进入也就是空载状态的时候，通过液压杆压缩使水流从胶皮管10中进入并充满整个中空腔体，维持整个装置的重心稳定。而当垃圾进入中心处垃圾收集区时，又将使液压杆9拉升，使得维持部分中空，排出部分水，同时控制螺旋桨速度使得船周围的流场保持相对稳定，达到了维持吃水线的效果。

如图4所示，本实用新型实施例提供的探测模块中密封双层套壳平台四角高于水面部分布置的激光雷达2和机器视觉模组13。

在平台的四角即动力模组上方高于水面部分布置的激光雷达2 及机器视觉模组13，激光雷达2对放置方向上的270度的水面进行三维重建，标记非水纹形态的突起和凹陷。完成标记之后，以笛卡尔右手正手坐标系标准像素坐标的形式传递给机器视觉模组13，使其完成对于垃圾的确定和行动路径的规划，从而驱动动力系统进行相应控制开始垃圾收集。

如图5，本实用新型实施例提供的探测模块动力系统中液压连杆 9为多套筒液压连杆，多套筒液压连杆中间位置设置有不锈钢芯轴，不锈钢芯轴上部通过焊接的方式连接由平行四边形链锁网格所编织的可压缩的拦网15，不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组14连接。

由于是完全对称结构，所以仅做单部表示为多套筒液压连杆。中间部分的不锈钢芯轴上部通过焊接的方式连接由平行四边形链锁网格所编织的可压缩的拦网15。在开始时，拦网15仅在最下部分，随着垃圾的收集越来越多拦网15也随之上升，将上层垃圾隔出水面的同时，也为继续收集垃圾提供了空间、不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组14连接，当首层垃圾满载时，离合套组与芯轴耦合，使得芯轴上升带动整个系统上升，使得空载的第二层替代满载的首层位于水面及水面以下垃圾最大概率出现的地方。

下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步的描述。

本实用新型定位为无人作业，为了最大化实现对作业面积和作业效率的提升，使用仿海上钻井平台下部的船身设计，主要设计思路与海上钻井平台大致相同，采用了下供式设计，四个空槽部分设计可拆装桶用来装载垃圾，整体重心偏下，且可实现自行升降保持吃水位置。收集垃圾步骤如下：由激光雷达传回水面的图像信息，控制中心给出相应的合适路线，过程中根据红外装置给出信息调整路线，到达位置后由螺旋桨产生的水流将垃圾卷入筒中。

针对该水上作业装置动力系统分布的动力系统，动力系统装载在底部四个圆柱形空腔外部四个螺旋桨以对角线方式相对排列安装在底部四个空腔内部，电池安装在同一位置，保证其可以通过调节转速抵抗水流影响，并实现全向移动；系统控制于使用PID双环控制算法，通过对于目标位置的距离解算，结合陀螺仪反馈数据进行运算后，通过分体式控制四个有编码器的螺旋桨电机，可以方便的实现抵抗水速的同时精确全向移动；

收集垃圾过程是通过四个螺旋桨电机的转速不同来控制涡流从而实现对于装置运动方向和速度的控制。而在装置运动向垃圾的过程中，在前方将产生向后的区域流场，当垃圾与装置接近到一定距离之后，垃圾自然会进入装置的内部并被拦网拦在收集槽；底部放置四个红外感应装置，用于感受水中环境，方便行驶中躲避礁石，上盖四角各放一个激光雷达，用来搜索垃圾，检测垃圾精确位置，嵌入式硬件采用分体式控制，甲板上放置无线互联、GPS模块，便于后续回收；

根据机器人制造过程，控制规则应为优先解除危险，其次实现功能，所以将感应装置反馈数据放在第一位，优先处理该数据而后接受上位机(视觉)所发出的数据指示，运动到指定位点。

动力模组的上方高于水面的部分，分别放置了激光雷达和机器视觉模组，用激光雷达对放置方向上的270度的水面进行三维重建，标记非水纹形态的突起和凹陷。这些都可能是有垃圾的地方。完成标记之后，以笛卡尔右手正手坐标系标准像素坐标的形式传递给机器视觉模组，使其完成对于垃圾的确定和行动路径的规划；采用opencv图像处理算法库，目标定位利用矩视智能对目标物体进行定位及位姿识别，确定各类垃圾的数量、位置、大小等信息。例如对海上漂浮垃圾进行姿态识别抓取，实现定位，接收视觉，向目标物体运动，回收垃圾等工序。

本实用新型的工作原理为：在装置的四个角位置分别设计了密封双层套壳平台，对供应螺旋桨转动的电机利用一个电子离合器来进行异步控制。当垃圾还未进入也就是空载状态的时候，通过液压杆压缩使水流从胶皮管中进入并充满整个中空腔体，维持整个装置的重心稳定。而当垃圾进入中心处垃圾收集区时，又将使液压杆拉升，使得维持部分中空，排出部分水，同时控制螺旋桨速度使得船周围的流场保持相对稳定，达到了维持吃水线的效果。

对于垃圾的寻找，在平台的四角即动力模组上方高于水面部分，分别布置了激光雷达及机器视觉模组，用60转1600线数的激光雷达对放置方向上的270度的水面进行三维重建，标记非水纹形态的突起和凹陷。这些都可能是有垃圾的地方。完成标记之后，以笛卡尔右手正手坐标系标准像素坐标的形式传递给机器视觉模组，使其完成对于垃圾的确定和行动路径的规划，从而驱动动力系统进行相应控制开始垃圾收集。

在收集垃圾时，通过采用平面法安装的螺旋桨来进行，控制四个螺旋桨电机的转速不同从而控制涡流，实现对于装置运动方向和速度的控制。而在装置运动向垃圾的过程中，在前方将产生向后的区域流场，当垃圾与装置接近到一定距离之后，垃圾自然会进入装置的内部并被拦网拦在收集槽内，实现水上垃圾的收集工作。

垃圾收集在开始时，拦网仅在最下部分。随着垃圾的收集越来越多，拦网也随之上升，将上层垃圾隔出水面的同时，也为继续收集垃圾提供了空间。在拦网所在的不锈钢芯轴中，芯轴下部与一个电子离合套组连接，当首层垃圾满载时，离合套组与芯轴耦合，使得芯轴上升带动整个系统上升，让空载的第二层替代满载的首层位于水面及水面以下垃圾最大概率出现的地方，完成垃圾的存放。

在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述水上无人垃圾收集装置设置有：

甲板；

甲板设置有密封双层套壳平台，密封双层套壳平台下端固定有四个垃圾收集筒，垃圾收集筒上设置有垃圾收集槽；

甲板上设置有探测模块，GPS模块、上位机；垃圾收集筒上端设置有吃水线控制系统，吃水线控制系统中设置有动力系统。

2.如权利要求1所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述动力系统设置有多套筒液压连杆，多套筒液压连杆中间位置设置有不锈钢芯轴；

不锈钢芯轴上部通过焊接的方式连接可压缩的拦网，不锈钢芯轴下部与一个电子离合套组连接。

3.如权利要求2所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述可压缩的拦网为平行四边形链锁网格所编织的拦网。

4.如权利要求1所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述吃水线控制系统设置有中空腔体，中空腔体底侧固定有密封块；中空腔体内部固定有液压杆，中空腔体上端设置有胶皮管。

5.如权利要求1所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述探测模块设置有激光雷达、红外传感器、机器视觉模组；

红外传感器包括一块透镜、一个红外接收芯片、一个模数转换芯片和一个单刀双掷开关以及一些晶振极片、电容、电阻以及电感；

机器视觉模组为270度云台和双目摄像头组合。

6.如权利要求5所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述激光雷达和机器视觉模组分布在密封双层套壳平台四角高于水面部分。

7.如权利要求1所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述垃圾收集筒底部固定有电机，电机输出轴与螺旋桨连接。

8.如权利要求7所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述螺旋桨以对角线方式相对排列安装在底部四个空腔内部，电池安装在同一位置。

9.如权利要求1所述水上无人垃圾收集装置，其特征在于，所述垃圾收集筒下端固定有回收平台龙骨。

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