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In order to effectively solve the problem of floating debris cleaning in small water area, it is of great significance to develop a low-cost surface cleaning robot capable of collecting debris. In this paper, a kind of sundry collection robot on the surface of lake is designed. This robot adopts the structure of left and right hulls, and is powered by batteries. It drives the dc motor and propeller respectively, and the propeller drives the forward and steering of the ship. The salvage conveyor belt is driven by a belt drive, which transports the sundries from the surface of the water to the sundries collection box. When the sundries collection box is full, the robot returns to the designated place to manually dump the sundries, thus completing the collection of sundries. The robot collects images of sundries and obstacles on the water surface at a distance through the graph transmission system, and controls the direction and speed with the control system based on STM32 single chip microcomputer. It can reduce the environmental pollution of the water area, reduce the labor cost, and has a good prospect of industrial application. At present, the cleaning of small waters mainly adopts manual cleaning. The cleaning boats on the market are mainly for large waters. As present, the development prospect of small water surface sundries collection is to replace manual sundries collection by robot. Keywords: robotization ; intelligentialize ; Sensor; Collection of sundries 目 錄 第一章 緒論 1 1.1課題研究的背景和意義 1 1.2國內外發(fā)展狀況 2 1.3主要設計內容 3 第二章 總體方案設計 5 第三章 機械系統(tǒng)設計 7 3.1機械本體設計 7 3.2動力驅動部分設計 8 3.3收集裝置電動機選擇 10 3.4蓄電池選擇 10 3.5執(zhí)行機構設計 10 3.5.1同步帶輪的選擇 10 3.5.2軸的計算 11 3.6雜物收集箱設計 12 第四章 控制系統(tǒng)設計 13 4.1控制方案選擇 13 4.2單片機的介紹及選型 14 4.2.1單片機的介紹 14 4.2.2單片機的選型 14 4.3 檢測傳感部分設計 15 4.3.1圖像收集裝置選型 15 4.3.2光束遮斷式傳感器選型 16 4.4繼電器模塊設計 17 4.5電機驅動模塊設計 17 4.6程序設計 17 結束語 19 致 謝 20 參考文獻 21 附錄 22 第一章 緒論 1.1課題研究的背景和意義 最近幾年，雖然我們國家越來越重視對于環(huán)境的保護，但是環(huán)境污染問題特別是水域污染問題依舊嚴重，這是因為人們在重視其經濟發(fā)展的同時卻往往會忽略對環(huán)境的保護，譬如，在水面上飄浮著的各種垃圾日益增多。這些漂浮雜物，不僅會污染相關水域的生態(tài)環(huán)境，危害該水域生存的各類植物、魚類以及藻類等生物，更是會危害到在該水域附近生活人民群眾的身體健康和生活質量。甚至在某些水域，大量的雜物堆積會堵塞航道，不利于船只的通行。如果雜物堆積在水庫等重要水域，不僅會影響人們的日常用水，甚至會危害大壩的安全。當大壩的安全受到危害，輕者造成大量財產損失，更有甚至會危害到人民群眾的人身安全。因此，水域雜物收集(就本文而言是湖泊水面雜物收集)已經成為美化環(huán)境和促進社會可持續(xù)、高效發(fā)展的重要內容之一。 根據(jù)查閱資料可知，針對大型水域水面雜物收集的機械收集方式和針對小型水域水面雜物收集的人工收集是目前最主要的兩種水面雜物的收集方式。垃圾清理船是針對大型水域水面雜物收集的機械收集方式之一。因為大型水域水面雜物一般量大且集中，垃圾清理船一次性清理量大的特點正好針對該類水域的雜物堆積特點，這就能很好的提高大型水域水面雜物收集的效率。但是對于在小型水域的比較分散的漂浮雜物，垃圾清理船的體積和重量偏大，無法對雜物進行有效的收集。采用人工收集的方式是收集這些分散漂浮雜物的主要方法。但是，根據(jù)網上數(shù)據(jù)分析人工收集不僅人力、物力和財力高，還存在很大安全隱患。目前，人工收集的方式主要針對湖泊、小河等小型水域水面漂浮雜物。但是市場上的水面垃圾清理船造價高昂、制造困難、操作復雜、體積龐大且無法有效收集小型水域水面雜物，而對于湖泊等小型水域用人工收集水面漂浮雜物的方式只是權益之計。針對以上這些人工手機方式凸顯的問題提出了通過機器人代替人工,這相對于人工收集減少人工收集雜物的危險，而且采用機器人收集雜物還可以提高工作效率。 根據(jù)上文的要求本文設計了一款湖泊水面雜物收集機器人，基于STM32單片機控制，以圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器作為檢測元件，通過螺旋槳推進，從而收集水面雜物。首先該設計的湖泊水面雜物收機器人體積要適中，這樣才能在具有更大的活動空間，達到水面的犄角之處的同時更多的收集水面雜物，這樣才能可以大大的提高水面雜物的收集效率。 1.2國內外發(fā)展狀況 國外的最先開始重視該項技術的發(fā)展，各國的水面雜物收集裝置多種多樣、百花齊放。目前，比較出名的水面清潔船的是韓國、日本、意大利等國生產的，這些國家的水面清潔船在全世界范圍都具有很強的名望。 韓國名為“海洋清掃號”是一艘可以在水深只有兩米的水域清理水面垃圾并收集水面雜物的垃圾清理船。同時也可以打撈沉積在水底15m深處的垃圾。主要包括了一具抓鏟，這抓鏟是多關節(jié)的，且長達20m，同時還有用于收集水中雜物的漁網，漁網也可以提高水面雜物收集的效率。海洋清掃號收集的垃圾及雜物最大可達40噸。 日本“みずき”號總長30.3m，型寬11.6m，深3.8m，最高航速14.65kn，是一艘環(huán)保型船，它的作用是回收水面特別是大型水域水面垃圾。其回收大型水域水面雜物主要通過從船體中部開口部放下垃圾收集裝箱，然后將垃圾引入，其中有2只為No.1箱35m3，No.2箱15m3垃圾收受集裝箱。船型采用非對稱雙體型可以提高垃圾回收效率。みずき船體結構有別其他的設計，他的設計偏向于縱肋骨方式，還設計了壓載艙設在首尾兩舷的特殊結構。其他的設計還包括設在船尾的垃圾回收補助用調查艇。 美國聯(lián)合國際船舶公司(UMI)研制了清潔船主要功能是清理水面垃圾的TrashCat系列清潔船，推進力通過兩個螺旋槳提供，采用了雙船體型。該型號的清潔船己使用二十多年，技術相對比較完善。 與國外相比，雖然國內對于水面雜物收集裝置的研究較晚，但是在各方面人才的研究之下，也有很多優(yōu)秀的水面雜物收集裝置被設計出來，例如蘇州造船廠研究和建造的400kN內河打撈工程船、天津新港船廠研究和建造的 “方通號”、由國內幾方合作共同研發(fā)建造的世紀之光等。 蘇州造船廠建造的400kN內河打撈工程船航行時最大吃水深度可以非常低，甚至可以不超過0.87m。蘇州造船廠不僅為它設計了內河駁船型線，還為它設計了尾閉式的雙隧道的系統(tǒng)。400kN內河打撈工程船使用柴油機，因此也具有不低的航速，它的航速可達13km／h；400kN內河打撈工程船船體的上層部分最高點離水面低于4.35m，這是為了更好的通過橋等建筑物。進行垃圾清理工作時，滑輪軸所具有的中心距400kN內河打撈工程船船首的水平距離大于或等于3.1m。 由天津新港船廠建造的水上清掃船“方通號”優(yōu)點非常多，且以電為動力，沒有污染。在接近垃圾后，船上作業(yè)設備，將水面上雜物打掃一盡。該船實現(xiàn)了自動清掃、收集、儲存水面雜物，而且還可以沖刷岸上雜物，澆灌河邊綠地。 世紀之光是我國第一艘具有自主知識產權的水面清潔船。 通過對國內外發(fā)展現(xiàn)狀的比較，我們可以看出：國外由于早年發(fā)展快，較早的提出了對于水面雜物收集的需求，所以獲得了較多的發(fā)展時間，形成了相對完善的技術，同時國外的雜物收集裝置功能也較全，特別是在自動化方面的發(fā)展程度非常高除。具備雜物收集功能外，還集合了檢測水質、航線導航、地點定位等特點。相比于國外，我國由于某些歷史原因，某能及時的跟上發(fā)展的步伐，但是因為有國外技術的先決條件再加上中國人民自己的智慧也發(fā)展出了一些優(yōu)勢，特別是在智能化發(fā)面遠遠領先于國外。在市場存在較多的大型水域水面垃圾清理裝置，其中相對成熟的是水面清潔船，水面清潔船的功能也有較為全面。但是針對小型水域仍然存在以下問題：一是由于水面清潔船體量大無法正常在小型水域運作。二是現(xiàn)有的水面清潔船在清理垃圾保護環(huán)境的同時也會對環(huán)境造成一定的污染，危害附近水域各類動植物、魚類、藻類等生物的健康，而這是因為使用的是柴油機。三是現(xiàn)有的水面清潔船會產生很大噪音；四是存在一定的安全問題。綜上可知，目前對小型水域的清理主要采用人工清理，市場上的清潔船主要針對大型水域。本課題設計的湖泊水面雜物收集機器人可以減輕水域的環(huán)境污染問題，減少人力，它的產業(yè)化應用前景也是非常的廣闊。 因此，本文設計了一種湖泊水面雜物收集機器人，基于STM32單片機控制，以用圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器作為檢測元件，通過螺旋槳推進，從而收集水面雜物，其對于小區(qū)域的雜物收集效果極好。它可以減輕水域的環(huán)境污染問題，也可以填補當前市場上小型水域雜物收集機器人的空缺。目前對小型水域的清理主要采用人工清理，市場上的清潔船主要針對大型水域，本課題的研究項目提供一種新的小型的水面雜物收集機器人，這具有十分重要的意義。 1.3主要設計內容 湖泊水面雜物收集機器人要求如下： （1）主要作用是收集水面漂浮雜物，例如飲料瓶、塑料袋等； （2）能夠識別并避開障礙物； （3）能夠在一定程度上避免水草的纏繞； （4）能在收集一定雜物后返回指定地點。 該設計的湖泊水面雜物收集機器人采用雙船體的機械結構，以蓄電池供電，驅動直流電動機。螺旋槳推進器可以驅動船的前進與轉向。通過帶傳動驅動打撈傳送帶，打撈傳送帶把雜物從水面運到雜物儲存?zhèn)}，雜物儲存?zhèn)}裝滿了后，機器人自動返回指定地點人工傾倒雜物，從而完成雜物的收集。機器人通過圖像收集裝置采集遠距離水面雜物及障礙物影像，用基于STM32單片機的控制系統(tǒng)進行方向、速度的控制。 本文設計的湖泊水面雜物收集機器人對于保證水域環(huán)境的整潔與美觀，營造讓人心情愉悅的環(huán)境有著十分重要的意義和作用，湖泊水面雜物收集機器人的推廣和使用，可實現(xiàn)水面雜物收集自動化，極大的提高水面雜物收集效率，同時又起到對水面環(huán)境的維護保障功能。與水面雜物的人工打撈相比，采用湖泊水面雜物收集機器人可以極大地提高工作效率，這也是進行環(huán)境保護在水面雜物收集方面的重大進步。 第二章 總體方案設計 該機器人主要收集的是漂浮在水面上的小型雜物，首先預估的湖泊水面雜物機器人的大小及載重，通過查閱資料并結合老師建議選用合理的機械結構；收集雜物預想采用網狀式雜物收集箱來進行雜物的存放；通過圖像收集裝置采集遠距離水面雜物及障礙物影像；控制部分的核心是STM32單片機芯片，通過單片機可以整個湖泊水面雜物機器人的方向和速度等；當雜物收集滿后返回指定地點人工傾倒雜物。 整個湖泊水面雜物收集機器人應該結構合理，材料易尋且價格合理外觀簡約且美觀，采用電力驅動節(jié)約能源、無污染，且收集雜物快速有效。 表2-1 系統(tǒng)結構表 機械本體 船體 動力驅動部分 螺旋槳推進器、伺服電機、蓄電池 測試傳感部分 圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器 控制部分 STM32單片機、伺服電機驅動模塊，繼電器 執(zhí)行機構 傳送帶、雜物收集輔助裝置 湖泊水面雜物收集機器人的構成如表2-1，系統(tǒng)結構圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)結構圖 機械本體是船體，主要讓湖泊水面雜物收集機器人漂浮于水面并支持其他結構的作用；動力驅動部分主要包括螺旋槳推進器、電機、蓄電池，其中螺旋槳推進器提供整個湖泊水面雜物收集機器人的驅動力，電機為傳送帶和雜物收集輔助裝置提供動力，而蓄電池則為整個系統(tǒng)提供動力來源；測試傳感部分包括圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器，其中圖像收集裝置收集湖泊水面的雜物信息，而光束遮斷式傳感器用于判斷雜物收集箱雜物收集；控制及信息處理單元包括STM32單片機、伺服電機驅動模塊，繼電器，其中STM32單片機是整個湖泊水面雜物收集機器人的控制中心，而伺服電機驅動模塊和繼電器用于控制螺旋槳推進器和電機；執(zhí)行機構包括傳送帶和雜物收集輔助裝置，兩者用來收集湖泊水面雜物。 第三章 機械系統(tǒng)設計 3.1機械本體設計 機械本體承載整個系統(tǒng)的部件，實現(xiàn)系統(tǒng)的構造功能。 機器人機械本體選用船體，船體是湖泊水面雜物收集機器人的軀體部分，在系統(tǒng)設計中起著非常重要的作用，船體的設計結構減輕了湖泊水面雜物收集機器人的自重，更重要的是增加了安放電機和控制部分的空間。在船體上需要安裝收集裝置、螺旋槳推進器、打撈裝置、雜物收集箱、控制部分，驅動部分等機構；還需要隔斷外部水的環(huán)境和內部環(huán)境，起到隔離的作用。 機器人的船體采用左右對稱布置的結構，這樣的設計不僅在船體的基礎上更加減輕了機器人的自重，還減少了湖泊水面雜物收集機器人在水中航行受到的阻力，對于整個湖泊水面雜物收集機器人的設計有著至關重要的作用。 前方有兩個支撐部分和連在一起的兩個凸臺，用來安放雜物收集輔助裝置和連接桿。連接桿用來使左右雜物收集輔助裝置同步，同時連接桿上有兩個錐齒輪和一個帶輪用來傳遞力。同時船體前部還有三個凸臺，其中一對對稱安置放軸承的支架，對應船中部也有一對。船前部還有一個凸臺安裝帶輪及軸，連接兩個帶。另外左邊船艙有一個用于放置電機的凸臺。右邊鑄有控制部分放置盒。 船中部有支撐梁和船體一體鑄造，可用于安放圖像收集裝置。 船的頂部有一個頂棚，通過支撐梁和船焊接在一起，頂棚可以安裝簾子，用來防雨和防水。 雜物收集箱安放于船體尾部。 船體用灰鑄鐵HT200制作而成，總長1200mm，寬800mm，高600mm，它的總體尺寸設計見圖3-1。 圖3-1 湖泊水面雜物收集機器人裝配圖 3.2動力驅動部分設計 動力驅動部分是系統(tǒng)能量和動力的來源，其輸出的動力選擇的來源是控制系統(tǒng)的控制要求，可以實現(xiàn)動力功能。 1）湖泊水面雜物收集機器人的滿載排水量 其中機械本體、蓄電池、螺旋槳推進器的重量、所能存儲的雜物的最大重量分別預估為80kg、 10kg、 10kg、80kg。 故總質量為 式（3-1） 因此該船的重排水量為 式（3-2） 2）最大吃水深度的計算 該湖泊水面雜物收集機器人的面積由我們所選擇的數(shù)學公式計算得； 公式可以計算我們所需要的機器人船體的最大吃水深度： 式（3-3） 該湖泊水面雜物收集機器人的船體高度為320mm小于計算所得200mm的吃水深度，因此機器人的高度滿足需求。 3）動力裝置選擇 由于該湖泊水面雜物收集機器人機械本體采用的是船體機構，因此推進方案可以選擇船用推進器。而現(xiàn)代船用推進器應用最廣的是螺旋槳，螺旋槳不僅機構簡單，還有造價成本低，效率較高的特點，更重要的是螺旋槳使用方便。在本設計中螺旋槳推進器可以將動力裝置及電機提供的動力轉換成推進力，從而推動湖泊水面雜物收集機器人直行或轉彎，是這個湖泊水面雜物收集機器人必不可少的部分。 侵濕的面積計算根據(jù)湖泊水面雜物收集機器人在上一步計算所得最大吃水深度時的值為 200mm，根據(jù)計算侵濕的面積的數(shù)學公式計算可得，現(xiàn)假設設在水中湖泊水面雜物收集機器人行駛時的速度約為1m/s,那么湖泊水面機器人在湖泊行駛過程中，水流對船體的阻力可以根據(jù)以下設計公式計算得： 式（3-4） 由 式（3-5） 可得驅動機器人需要900W的功率，及每個螺旋槳推進器的功率為450W 根據(jù)分析我們選用了六葉螺旋槳推進器。根據(jù)前面我們經由計算所預估出來100mm吃水深度 將螺旋槳布置于船體下方兩側尾部，可以使螺旋槳產足夠推力，而且更加方便于通過螺旋槳使船體轉向，這具有很強可操控性。 故根據(jù)以上計算步驟和計算出來的值可選擇如圖3-2所示的推進器。 圖3-2 螺旋槳推進器 3.3收集裝置電動機選擇 由分析，選用24V,100W電動機，故電動機型號為57BL55。 3.4蓄電池選擇 為滿足供電需求，選擇了叮東24V，1000W電瓶。 3.5執(zhí)行機構設計 包括執(zhí)行元件和機械傳動機構，根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，把電氣輸入轉化為機械輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)主功能。 3.5.1同步帶輪的選擇 帶、帶輪之間沒有相對滑動，能確保其傳動比精確度高，這是由于帶、帶輪需依靠嚙合傳動。它對于鏈傳動、齒輪傳動來講，噪音小，且無需潤滑油，還具有較長壽命。該湖泊水面雜物收集機器人設計都采用同步帶傳動，且傳動比都為i=1，由前面可知電動機的額定功率為，額定轉速為。 1）確定同步帶傳動的設計功率 按工作機的性能及其運轉時間來查表K—修正載荷系數(shù)表，取 式（3-6） 2）選定帶型和節(jié)距 查《機電一體化系統(tǒng)設計》圖2-37，選3M同步齒形帶，查《機械設計手冊》，得其節(jié)距 3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑 查《機電一體化系統(tǒng)設計》表2-4，得，選小帶輪齒數(shù)為 式（3-7） 因為傳動比為i=1，大小帶輪型號與尺寸完全相同 4）計算同步帶帶速 式（3-8） 5）初定中心距 中心距滿足 式（3-9） 取 6）確定帶長以及帶齒數(shù) 式（3-10） 查《機電一體化系統(tǒng)設計》表13-1-58，得， 7）計算實際軸間距 式（3-11） 8）求帶寬 式（3-12） 查《機械設計手冊》表13-1-51，得,取 確定型號為30-3M-6 3.5.2軸的計算 輸出軸的功率P=100W n=50r\min 1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，因而選用調質處理的45鋼，查表知，6b=640mpa. 2）求輸出軸的功率，n 及扭矩T 若取機械效率則 式（3-13） 式（3-14） 3）初步估算最小軸徑 先初步估算軸的最小直徑，當選取軸的材料為45鋼時，取c=110，于是得 式（3-15） 最小軸徑為10mm。 3.6雜物收集箱設計 本畢業(yè)設計所設計的雜物收集箱為了快速節(jié)約材料同時方便更換設計成了如圖3-2所示樣式，并且還可以盡可能的增大可收集雜物體積。其材料采用工程塑料裁剪，不僅便于裁剪，還具有材料獲得方便、質量小等優(yōu)點。本文設計的雜物收集箱經過裁剪后，形成如圖3-3所示方孔樣式，可以在有效收集雜物的前提下使得水流不會被雜物收集箱所限制，從而降低所受到的阻力，以此來提高工作效率。雜物收集箱的總體尺寸為240mm*200mm*200mm。 圖3-3 雜物收集箱 第四章 控制系統(tǒng)設計 4.1控制方案選擇 控制方案比較：對于繼電器控制方案，在系統(tǒng)構成后，想再改造或者增加整個系統(tǒng)功能困難，而且相比于其他方案還有體積大、能級大、連線多等問題。另外，繼電器的觸點數(shù)量是該方案的一個很大限制，這個限制會使得使得繼電器控制系統(tǒng)不具備很高可擴展性，同時也會降低系統(tǒng)的靈活性；盡管采用PLC會更加快捷方便，也會提高整個系統(tǒng)的成功率，相比于其他方案PLC方案的可靠性也較好，但選擇PLC會有較高的成本，這與我們設計要求中成本低不相符合；而采用單片機系統(tǒng)相比于其他兩者來說不僅成本更低，而且效益更高，所以本設計采用單片機控制。 整個控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能要求以及各類傳感器反饋的信息，進行分析、處理、存儲和決策，控制整個系統(tǒng)有目的的運行，實現(xiàn)控制功能。該湖泊水面雜物收集機器人設計的控制系統(tǒng)的硬件部分根據(jù)圖4-1系統(tǒng)框圖我們可知，主要有六大部分，他們分別是單片機控制器，光束遮斷式傳感器，圖像收集裝置，伺服電機驅動模塊，繼電器組成。 單片機控制器是一種微控制單元，是這個系統(tǒng)的控制核心；圖像收集裝置用來收集湖泊水面圖像；光束遮斷式傳感器檢測雜物收集裝置收否收集滿雜物；電機驅動模塊驅動螺旋槳推進器；繼電器主要是控制直流電機的啟停。 圖4-1 系統(tǒng)框圖 4.2單片機的介紹及選型 4.2.1單片機的介紹 MCU，又稱單片機，它和中央處理器具有類似的功能，但單片機的功能又遠遠不如中央處理器，具體來說將頻率和規(guī)格做恰當降低就相當于單片機，同時將DMA、memory、A／D轉換、LCD驅動電路等部分或全部整合在一片單片機芯片上，方便于在非常多的事物中做不同要求的控制，完成預計的目的。 如智能手機、電腦外圍、電視遙控器，甚至智能較車、電機、機器人的控制等，都有用到單片機。 單片機的主要運用范圍包括： （1） 測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)是用單片機作為控制中心與其他部件組合構造各種控制系統(tǒng)以此來達到測量某些數(shù)據(jù)與控制某些動作的目的，例如自適應控制系統(tǒng)等。 （2） 智能民用產品。如在智能音響、智能玩具、掌上游戲機、智能廚房設備等許多產品中， 單片機控制器僅得這些我們日常生活中的產品功能更加豐富，性能更加高效。 以上兩種種單片機的運用范圍只是大概情況，其他地方也有很多的運用。 4.2.2單片機的選型 為了實現(xiàn)機器人的人機交互，方便控制、實時反饋湖面、雜物收集箱信息等要求為本湖泊水面雜物收集機器人的選擇的主控芯片型號為STM32F103C8T6單片機。STM32系列耗能低，數(shù)據(jù)處理能力好，能夠滿足雙螺旋槳推進器快速差速運動的需要，自帶的多路輸出PWM模塊便于螺旋機推進器的控制。整個系統(tǒng)由電源管理模塊提供電力。STM32F103C8T6硬件連接圖如圖4-2所示。 圖4-2 STM32F103C8T6 4.3 檢測傳感部分設計 檢測傳感部分包括各種多種多樣的傳感器和信號處理電路，我們可以根據(jù)我們所要達到的控制要求，設計中央處理器提供控制目標所需要多種信息，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的檢測功能。 本設計主要包括圖像收集裝置和光束遮斷式傳感器。圖像收集裝置用來收集湖泊水面雜物的圖像信息，在整個系統(tǒng)中圖像收集裝置是為了完成識別雜物，快速定位雜物所在位置工作的裝置。光束遮斷式傳感器檢測雜物收集箱是否收集滿雜物，是湖泊水面雜物收集機器人判斷是否應該返回傾倒地點的必要傳感器。 4.3.1圖像收集裝置選型 水面的情況是非常復雜的，在水面上不僅有各類雜物，還有各種各樣的障礙物。這就需要我們設計的此款湖泊水面雜物收集機器人能有效的避開障礙物。為了機器人能有效收集雜物，我們也需要為機器人設計快速、準確尋到雜物的功能。機器人避開障礙物，搜尋雜物從原理上來說兩者可以合二為一。為此設計并安裝了如圖4-3所示的圖像收集裝置。 圖4-3 圖像收集裝置 4.3.2光束遮斷式傳感器選型 為了檢測雜物收集箱是否已經裝滿雜物，該湖泊水面雜物收集機器人采用并安裝了PB-20TE光束遮斷式感應器。PB-20TE光束遮斷式感應器如圖4-4所示。 圖4-4 PB-20TE光束遮斷式感應器 “光束遮斷式感應器”(Photoelectric Beam?detector)的檢測方法利用了紅外線。因此這些對射經由專家計算有效距離在600米內。他包括了構造包括球面鏡片、鏡片等。 根據(jù)分析，為了達成我們需要的預定計劃，我們需要為紅外對射探頭選擇恰當?shù)捻憫獣r間。 考慮到在本湖泊水面雜物收集機器人設計中光束遮斷式傳感器的主要作用是檢測雜物收集箱是否收集滿雜物，故可選擇較長的響應時間。若雜物收集箱未滿遮光時間不會太長，因此響應時間可以選擇1s。 4.4繼電器模塊設計 如圖4-5所示，本設計采用1路5V繼電器，繼電器的啟停通過單片機控制。在本設計中繼電器可以是控制直流電機的啟動和停止。從前面我們已經可以知道雜物收集裝置的驅動力由直流電機提供，據(jù)此分析我們可以知道雜物收集裝置的啟停通過單片機控制繼電器的啟停間接由單片機控制啟停。 圖4-5 4.5電機驅動模塊設計 電機驅動模塊用來控制螺旋槳推進器，并能對一對螺旋槳推進器進行差速控制，從而能實現(xiàn)控制整個機器人的轉彎，因此選擇L298N電機驅動模塊。 電機驅動模塊如圖4-6所示。 圖4-6 電機驅動模塊 4.6程序設計 該湖泊水面雜物收集機器人軟件流程圖如圖4-7所示。 該設計的湖泊水面雜物收集機器人開始運行后，第一步為螺旋槳推進器驅動機器人直行；第二步為圖像收集裝置收集湖面信息；第三步為機器人檢測是否有障礙物，若有則螺旋槳推進器驅動機器人轉彎避開，然后返回第一步，若無則開始第四步；第四步為機器人檢測是否有雜物，若有則機器人開始第五步，若無則返回第一步；第五步為判斷雜物收集箱收否滿，若不滿則螺旋槳推進器驅動機器人收集雜物，收集完成后返回第一步，若滿則開始第六步；第六步為螺旋槳推進器驅動機器人返回指定地點，然后電機及螺旋槳推進器停轉，整個程序結束運行。 圖4-7 軟件流程圖 結束語 這次畢業(yè)設計可以說是我們大學生在整個大學生活中最重要的任務了，這次設計可以說是一次對于以往我們大學生涯學習的一次綜合檢驗和考核，更可以說是一次理論聯(lián)和實際相聯(lián)系的體驗。這次體驗對我來說是一次不斷解決問題并在解決問題中不斷的發(fā)現(xiàn)不足并超越自我體現(xiàn)人生價值的過程。快樂和痛苦兩者不可分離，盡管過程大部分都是艱辛的，但我也在艱辛得過程中體會到了認真完成一份工作的快樂。 設計剛開始的時候我們大家都是迷茫的，都不知道從哪里開始著手，整個人都是迷迷糊糊，對于畢業(yè)設計沒有一個總的概念，無法建立完整的具體的對于畢業(yè)設計的思路和方案。每天都是在泡圖書館查書籍、上網找資料、和同學討論，但這些方法都收獲甚微，并沒有給予我靈光。在這時是李老師給予了我信心，他不斷激勵我、耐心得指導我。從這里開始，我才開始有信心完成我的畢業(yè)設計。李老師給予了我一個好的開始，讓我度過了前期最困難的時候，我才能緩緩的將畢業(yè)設計進行下去，這可能就是俗話說的萬事開頭難。總體上而言我的設計進行得很慢，中途還由于各種各樣的原因中途不斷的中斷畢業(yè)設計，但最終我還是完成了本次畢業(yè)設計。這可以歸功于我自己的努力，是我功夫不負有心人的表現(xiàn)，也歸功于李老師和同學們不斷得鼓勵和幫助。 完成畢業(yè)設計是困難的，查閱資料形成自己的思路是不易的，但這些困難和不易更能全面檢驗了我們過去我們所學。人的一生所擁有和將擁有的財富必然是有限的，而在這有限的財富中這次畢業(yè)設計所讓我獲得的財富所占的比重更是非比尋常。 這次的畢業(yè)設計對于我的動手能力、獨立思考能力和分析解決問題的能力等各個方面都是一次全面而具體的鍛煉。整個完成畢業(yè)設計的過程對與我來說，不僅讓我感覺到了知識的欠缺和經驗的不足，而且還讓我進一步鞏固了專業(yè)。我將會在今后的工作與學習中，繼續(xù)這次畢業(yè)設計所體會到的精神，更加努力。 畢業(yè)設計雖然是一項挑戰(zhàn)難度非常高的任務，但我非常感謝這次畢業(yè)設計，這對我來說是唯一的經歷。同時我也感到有一些不足，這些不足在總結的過程中讓我有了更加深刻的體會和感悟。我會在今后的生活中不斷提高自己的能力，不斷完善自己所欠缺的綜合能力。 致 謝 正是因為有一群優(yōu)秀且品德高尚的人在我身邊不計回報的鼓勵和幫助我，我才能圓滿且及時的完成本次畢業(yè)設計，我從心底里非常的感謝他們。 首先，在本次畢業(yè)設計的過程中，我的指導老師李教授不僅對我的研究內容和研究方向進行了專業(yè)的指導和論證，并且在我進行課程設計遇到困難時，給予了我極大的幫助。 其次，也要感謝我的同學，他們也幫助我解決了很多難題。 李老師和我的同學是一群非常優(yōu)秀的人，在這里，我再一次感謝他們。 參考文獻 [1]孫亞軍.小型水域垃圾清理機器人的研制[D].昆明理工大學，2018. 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