全自动塘湖漂浮垃圾打捞机方案书

第三届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品全自动塘湖漂浮垃圾打捞机的设计设计者：林鸿敏刘应春吴成龙柯宙志曾旭升郑卓光指导老师：王玉兴，王卫星[摘要]纵观我国水面固体垃圾的现状，水生物，白色垃圾以及江河水面上的固体垃圾等等已经成为了威胁水系生物以及水体环境的重要因素，对我们生活的质量产生了严重的影响。人工打捞垃圾对这重大型水电工程来说效率太低同时又是不安全生产的一个重大隐患，20个工人人工打捞一天有时还没有上游来的垃圾多,造成库区水面垃圾越集越多,花费大量人力物力却得不到好的效果。而且，现有的打捞技术仅仅限于大江大河的机械化，而人工湖泊或者池塘河涌等等小型的水系则仍以人工打捞手段为主，不仅浪费人力资源，而且费时费力，经济效益和效果都不是很好。[关键词]垃圾打捞；自动控制；船一目的与意义该方案采用远程自动控制机构，来实现垃圾的打捞和收集。当船行至垃圾旁边，打捞手通过有规律的收合，将垃圾捞进打捞轮旁边，接着收集轮通过水流和流水线的打捞爪将垃圾送到链条传送带上来实现垃圾的收集。整个过程都是通过远程控制和自动完成，这样就大大节省了人力和财力。同时小巧的船体结构，适合于湖泊公园池塘的垃圾打捞，方便实用。考虑到现在水面垃圾污染严重，比如池塘水浮莲的污染蔓延，严重影响江湖美观，如果能将这机器投入使用，将会得到很好的效果，在节省物力人力的前提下，做保护环境的使者。二技术方案2.1打捞船的总体机构图打捞爪控制部分船体总体采用3个动力源。（图2.1）打捞爪控制部分打捞船的打捞船的驱动部分打捞轮传动部分打捞轮传动部分图2.1打捞爪控制部分。前面两个电机分别控制两个打捞爪向中轴线同步或异步滑动，将垃圾捞船中间。打捞轮传动部分。通过电机和链轮连接，带动前后两个打捞轮反向转动，将垃圾收集到垃圾箱中。打捞船驱动部分。通过控制两个电机的转动情况来实现船体的前进，倒退，左转，右转。2.2打捞爪控制部分2.2.1打捞爪平面图如图所示（图2.2.1）图2.2.1将打捞手设计成网状结构，不过，基于小型湖泊池塘比较多的塑料袋等等容易粘附的固体垃圾，我们把打捞手设计成了向下倾斜的样子。而且，跟原有直直的打捞手相比，我们又将它改成半直半弯的形状，以求增加打捞的面积。同时针对原有打捞手只能同时伸展同时收回来这个特点，专门另辟蹊径，参照“太极手”的特点，将“太极手”搬到了我们的机器上，用两个驱动分别带动两个打捞手，实现了异步打捞的特点，更好地将水面上的垃圾回收，清理更加干净更加整洁。2.2.2打捞爪的传动机构（图2.2.2）图2.2.2在控制打捞手的装置里面，我们根据遥控的思路去发掘，通过摇杆机构，用步进电机来带动，这样更好地实现了自动化，更加方便遥控的操作。2.3打捞轮传动部分2.3.1打捞轮传动在打捞机构上，我们是先采用电机带动具有打捞爪的前轮旋转，将漂浮物捞进来，再通过链条带动打捞爪捞起来，这样可以将垃圾更集中起来打捞，调高效率。而且这样就可以避免由于轮的转动而引起的水流流动而冲开垃圾的现象发生，借用水流捞起来。具体的传动机构简图如图所示（图2.3.1）前面的打捞轮的传动比是1：2.，其他都是1:1.。这样前面的打捞轮就可以快速的将垃圾捞进来，以便后面链条传动轮捞进垃圾桶。前面的传动比是1:2其他的传动比是1:1前面的传动比是1:2其他的传动比是1:1打捞爪打捞爪图2.3.12.3.2垃圾箱设计垃圾箱都采用镂空设计，这样使得水流可以随时排出去，降低电动机的压力，提高运作的速度。同时，就是镂空不多的情况下，水流冲进去垃圾桶后产生的向后的流体冲击力，可以促进船体往前移，增加动力，提高效率（图2.3.2）水流的方向水流的方向图2.3.22.4打捞船驱动部分采用两个电机带动扇叶来作为打捞船的驱动，通过控制其转速和转动的先后及转向，来实现船体的前进，后退，左右旋转。同时还设置有通畅的排水道，使水流能不断的补充，从而实现船的快速移动和定位。（图2.4）图2.42.4.1电机的使用船只左边和右边各安装有一个6V的步进电机，用来控制两边机械臂的摆动。步进电机可实现高精度的定位，每个脉冲转0.9度。同时，制动性能很好，只要没有脉冲输入，可立刻停下来，而正反转的控制也很方便，只要改变一下脉冲的方向，就可以实现。有这些优点，对于机械臂的准确转动有很大的帮助。船只上方也安装有一个24V空心杯直流电动机，用于驱动收集垃圾的传送带。另外，在船只后方两端各安装有一个12V空心杯直流电机，用于驱动船只前进、后退和转弯。当两电机同速时，可实现前进和后退的功能。当两电机存在差速时，可实现转弯的功能2.4.2驱动部分接收到无线控制信号后，单片机发出指令经过TLP521-4四通道光电隔离芯片后，控制L298N芯片，通过该芯片即可控制船只上的电动机，执行相应的动作。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机或者舵机。工作电压：信号端4-6V、控制端5-46V。调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。特点：1、可实现电机正反转及调速。

2、启动性能好，启动转矩大。3、工作电压可达到36V，4A。

4、可同时驱动两台直流电机。2.5通讯（发射与接收）模块本作品将采用比例式的杆式无线电遥控器，遥控指令通过机壳外部的控制开关和按钮，经过内部电路的调制、编码，再通过高频信号放大电路由天线将电磁波发射出去。在调制、编码和电路的组成方面有很好的效果。2.5.1遥控发射机本作品将采用比例式的杆式无线电遥控器，遥控指令通过机壳外部的控制开关和按钮，经过内部电路的调制、编码，再通过高频信号放大电路由天线将电磁波发射出去。在调制、编码和电路的组成方面有很好的效果。而采用四通道的比例遥控设备,可以同时对模型进行四个不同动作进行比例控制。2.5.2遥控接收机遥控接收机是安装在车模或船模上用来接收无线电信号的。它会处理来自遥控发射机的无线电信号，将所接收的信号进行放大、整形、解码，并把接收来的控制信号转换成执行电路可以识别的音频信号或是数字脉冲信号，传输给船模上的其他电子部件，如：舵机电路、活动收集手臂电路等执行机构，这样一来我们的船模，就会通过这些执行机构来完成我们所发出的动作指令。由于我们的设计需要较高的灵敏度，我们通过多重滤波，来实现提高接收频率的准确性。它基本上是由选频电路、放大电路、译码电路等部分组成。从接收放大电路出来的脉冲信号，通过译码电路后就能分别独立地取出由发射机发出的操纵杆动作信号Ta——Td，并分配到不同的译码地址输出口。

2.5.3采用的芯片采用nRF905无线通讯模块，实现船体与障碍物的信息通讯，是本系统的核心模块。nRF905是一款收发一体的单片无线通讯模块，可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。通讯距离远，而且误码率低，因此采用nRF905作为通讯模块的设计。超声波测距防撞模块.2.6.1单片机实现测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。2.6.2超声波发射电路超声波发射电路原理图如图所示（图2.6.2）。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图2.6.2压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。.2.6.3超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图2.6.3)。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。图2.6.3三总结这个机器是为了打捞水上垃圾漂浮物而设计的，相比现在的打捞船，我们的创新点在于以下5点。打捞手设计上采用网状设计，摆手向下倾斜，整个成半弯曲形状。减小打捞的阻力，增加打捞的面积。同时打捞手能实现同步和异步的打捞，还支持复位功能。流水线的打捞爪设计，能稳固的抓住垃圾，带动垃圾往上传，通过爪的背面滑进垃圾桶。大大增加打捞和收集的效率。垃圾桶下沿带有与打捞爪相嵌合的栏栅，准确无误的将垃圾从打捞爪中勾出来，不放走一丝垃圾。而且垃圾桶容量大，不用担