目前，市面上的垃圾打捞船以液压控制双体船为主，具有体型大、价格高、结构复杂、操作使用不灵活的特点，适用于江河等大型水域作业，但无法前往小型水域清理垃圾[1]。水面垃圾清理装置在公园水景、城市河道等小型水域的应用存在空缺[2-3]。为了解决水面垃圾零散分布时面对的高劳动强度、低工作效率及高成本打捞等问题，本文基于精确的视觉识别系统准确地对垃圾进行定位与识别，基于两栖拓展其自动收集与自动投放垃圾的功能，研发一种适应水面和陆地两种完全不同的工作环境的水陆两栖作业装置，使海洋垃圾的清理工作更高效，降低垃圾收集的成本，节省大量劳动力。1总体设计构想整套设备由舱体、水陆两栖轮、滚筒、传动带、防水轴承、同步轮、锂电池、STM32单片机、编码电机、电机驱动模块、通信模块、GPS定位模块、超声波测距模块、数字舵机、视觉识别摄像头等装置组成。装置整体尺寸：上箱体长600 mm，宽400 mm，高358 mm；型材两侧板厚10 mm，其余板厚5 mm，自重6 kg，承载8 kg；下箱体长600 mm，宽400 mm，高70 mm，型材厚度5 mm，自重3.5 kg，承载5 kg。清理装置、舱体内部结构如图1、图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.022.F001图1清理装置结构10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.022.F002图2舱体内部结构推进器、隐藏密封盖结构如图3、图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.022.F003图3推进器结构10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.022.F004图4隐藏密封盖结构2功能模块2.1视觉识别系统装置的视觉识别系统通过视觉识别探测摄像头及内置Tina-Linux系统的MaixII M2dock开发板实现，此板集成单核ARM Cortex-A7及最新一代ISP图像处理器和图像校正算法，支持边缘检测sobel、物品分类resnet及物体检测yolo等算法，装置垃圾视觉识别选择采用yolo目标检测算法实现检测识别[4]。当装置处于水域之中，开发板中的yolov2模型利用其强大的算力加载模型，通过检测目标信息的类别与位置，得到垃圾的中心坐标，将离小船最近垃圾的中心坐标和摄像头窗口的中心坐标对比得到偏移角度，利用串口将偏移角度传送给单片机，控制驱动装置差速转向以及前进运动实现垃圾收集。装置配备ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块实现装置定位功能，实时观测到装置位置。该模块是一款高性能GPS/北斗模块，其核心采用SkyTraq公司的S1216F8-BD模组。该GPS定位模块能够配合STM32单片机实现实时定位。装置数据传输采用NRF24L01模块进行，采用SPI通信能够实现一对一和多对一通信并满足多点通信和调频通信需要。NRF24L01模块能够与单片机连接，数据传输快速精确，传输距离远，能耗低[5]。定位系统同时采用RDSS和RNSS两个模块交替发送，并通过无源功分器将天线扩展至4个信号，实现4个方向全覆盖，准确识别物体的坐标定位，配合单片机实现实时坐标显示。2.2动力行进系统装置两侧安装有自主设计的两栖轮，实现水陆两栖的正常行进。结构设计为两端有圆柱轮面中部弧形鳍片，使装置在水下能够通过两栖轮旋转获得前进的推动力，弧形鳍片能够减小水陆两栖复合轮在水中形成的附着阻力占总的水阻力比率，转动时在水的反作用力作用下，装置能够平稳向前运行，实现差速转向及前进，同时水陆两栖复合轮圆柱轮面上有防滑设计，保证陆地前进稳定不易打滑[6]。在经过yolo算法得到检测目标的偏移角度后，将偏移角度通过串口不断传输给单片机构成负反馈，再利用PID算法中的P算法，控制输出PWM波的大小来实现两端两栖轮不同转速，控制电机转速以实现差速转向。为提升装置运动精度，装置搭载有MPU6050六轴传感器辅助转向及前进，该传感器规避了组合陀螺仪与加速器时轴间差的问题，减少了安装空间，三轴加速度+三轴角速度（陀螺仪）传感器的模式，提升了定位系统的精度[7]。针对各种因素对运动轨迹的影响，可通过PID算法程序将影响因素转化为电机转速所需变化，以智能算法改变电机转速，进而减小复杂水域环境下水体因素对装置运行轨迹的干扰，以保证装置运动精度。2.3收集与存储系统装置通过自身的前进运动及内部传送带实现水体表面漂浮垃圾的“吞取”收集，收集的垃圾存储于传送带上，传送带设计有一定的倾斜角度，便于垃圾卸下又能保证垃圾不会从前端漏出。传送带安装在滚动轴上，滚动轴通过同步带连接电机实现驱动控制。舱体后端的双开门设计有横向开槽的孔，装置前进运动能使水流过并过滤出垃圾。利用外桶内水的浮力实现浮动桶的升降，浮动桶与挡水件的配合动作实现进水豁口的开闭，进而控制外桶内外的液面之差以及进水。进水时水面垃圾跟随水进入内桶中，实现水面垃圾的收集，实现了桶内水位自适应控制功能，实现垃圾自适应收集功能。NRF24L01模块对装置箱体垃圾检测等数据进行传输，采用同步串行通信方式的SPI通信，具有传输效率高、结构简单和传输稳定等优点，能够实现一对一和多对一通信，抗干扰能力强。为保证装置的结构稳定性与耐用性，其舱体结构使用了欧标15型铝型材框架。在各个接点用角码支撑连接，使装置平整度较高、受力均匀，延长使用寿命，避免出现弯曲变形，增大垃圾存储空间。装置舱体前端安装有挡网，在装置舱体左右两侧安装水翼提供浮力，吃水线设计在距前端滚筒高约10 mm，水翼与吃水线平齐，装置在水域内稳定有效收集垃圾和防止垃圾外流。装置舱体后端安装有双开门，双开门固定于门轴之上，门轴与舵机连接以实现开闭控制，保障装置运行时垃圾存储于舱体且不易掉落。2.4满载检测及卸载系统水位传感器可以检测桶内水的高度，当水位到达设定的高度时，集成控制器控制水泵开始运行，将水排出至外桶外，实现桶内水位主动调节功能。在装置垃圾存储区域装有超声波测距模块，垃圾收集满后在模块底部停留，超声波检测到储存舱室内高度超标并恒定，判定装置满载。当垃圾收集满后，装置通过利用GPS模块得到实时经纬度和目标经纬度对比，得到方位角，再利用陀螺仪模块得到偏航角，利用PID算法和偏航角控制装置朝方位角前进。装置需要卸下垃圾时，通过驱动两个舵机将双开门打开，电机通过同步带驱动传送带的持续转动，卸下收集于装置舱体内传送带上的垃圾。为了实现连续作业，装置采用霍尔编码电机驱动输送，实现垃圾的收集和卸载，并在此基础上增加-5°倾角，提高垃圾卸载的效率。在单片机上所使用的L298N芯片是一种高电压、大电流电机驱动芯片，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。3工作流程将装置启动进入水域进行垃圾收集作业，视觉识别探测摄像头开始工作，在识别到实体表面漂浮的垃圾后，通过单片机控制单元将信号传递给霍尔电机，驱动水陆两栖复合轮使装置转向、前进至垃圾处。装置通过自身的前进运动以吞取的形式收集水面垃圾，垃圾吞取后存储在传送带上。视觉识别探测摄像头及配套系统，判别垃圾收集进入装置舱内后，继续搜索捕捉其他垃圾并发出信号使装置前往、收集。装置舱内有超声波测距模块，当装置舱室内垃圾收集满且将从前端溢出时，会被位于舱体内顶部的超声波测距模块检测到，判定垃圾满载后会借助GPS定位模块实时定位功能返航至目标地点。装置返回至陆上指定地点，位于装置后端的双开门打开，电机驱动传送带运转卸下收集的垃圾，传送带持续运转一段时间将存储于上方的垃圾卸下，双开门关闭，在完成后可继续前往水域进行下一轮垃圾收集。两栖自动水面垃圾清理装置的工作流程如图5所示。10.19301/j.cnki.zncs.2024.02.022.F005图5两栖自动水面垃圾清理装置的工作流程4结语现有技术小型水域的水面垃圾清理装置不具有卸载垃圾的功能，通常在垃圾装满收集箱后，人工将装置中的垃圾倒出，工作效率、自动化程度低。本设计解决的技术问题是提供一种能够自动到达岸边，将垃圾倾倒至指定位置的水面垃圾清理装置，并设置一种两栖复合轮，既能在水中行走也能在陆地上行走，并将收集的垃圾倾倒至陆地上指定的位置，实现了水陆两栖作业，有效保障了不同环境下装置作业的可靠性。本设计在舱体的前端设置有视觉识别探测摄像头识别到垃圾后，水面垃圾清理装置前进至垃圾处，驱动装置驱动传送带转动将垃圾吞入舱体中，整个过程中无须人工操控，对于水面垃圾的收集更高效。本设计还能加以改装并延伸应用到其他大型水域的垃圾清理，客户适用群体更广，应用前景和市场潜力突出。