基于视觉识别的水面垃圾清理机器人
来源： 发布时间：2023-12-04
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基本信息
第一作者姓名：李欣泽
性别：男
民族：汉族
第一作者学校：合肥市第八中学
第一作者人所在年级：高一
第二作者姓名：何连天泽
性别：男
民族：汉族
第二作者人所在学校：合肥市第八中学
第二作者人所在年级：高一
辅导教师姓名：容兰
作品摘要
*结构组成：
结构组成主要包括装置机体、传送装置、存储装置、升降装置、行进装置、视觉识别装置、太阳能板装置。主要部分有：浮体、U形底板、垃圾筐、传送带、感光太阳能板、视觉传感器、推杆、平衡光杆、传送带横梁、收拢装置、气泵。
*主要特征：
主要特征在于：包括漂浮壳体、传送带抬升装置、垃圾收集装置、行进装置、供能及电控装置；漂浮壳体承载装置整体，两块浮体上方用大底板固定连接，传送带抬升装置固定在大底板与摄像头支撑横梁间，垃圾收集装置分为负压聚拢吸引垃圾与水流清理装置、传送装置，行进装置的三叶螺旋桨对称安装在装置机体后端，并通过无刷电机控制旋转。
*主要用途：
能够在各种恶劣条件下，人机分离，实现对水面垃圾进行有效识别、收集、清理。
*创新点：
1、采用数字信号处理，提供了特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输。
2、本装置采用传送带模式的收集方式，利用气泵进行更加有效的收集。
3、本装置在储存箱的上面装有太阳能电池板，续航性好，使之能够持久的保持运行。
4、在储存箱的四周还有特殊设计的丝杠系统，通过它能够控制传送带的高低升降，适用范围更广。
5、本设计采用可拆卸的机械零件，便于安装者的简单装配安装使用以及后续的维护与升级。
作品说明
*问题提出：
*提出的问题和解决的问题：
提出：
1、不同水域的水上漂浮物主体存在形式；
2、水体垃圾治理普遍流程及注意要点；
3、现有常用水面垃圾收集设备的优缺点；
解决：
1、参考不同水域的水上漂浮物主体存在形式，建立垃圾收集数据库并借助大数据技术分析，快速提供收集规划方案；
2、当进行大规模、高强度垃圾收集任务时，提供多机联机工作，统一规划、统一操作；
3、借助无人机、卫星地图和人工导入等多种方式，快速、精准地生成垃圾收集工作路径。
研究问题的原因和意义：
在面对水面垃圾时，我国政府大多还是采用人力打捞方式，但存在严重的安全隐患和劳动力浪费等情况，随着技术的不断完善人船分离的打捞模式必将代替现有的垃圾收集模式，操作人员可通过DSP·WDR技术对各种条件下的水面清理装置进行精准、及时的信号实时监控和传送信号指令，可适用于城市内河的垃圾打捞、旅游景区的内河、湖面等静水水域、一些狭长的静水水域和浅水区。
*解决方案：
解决问题的办法：
基于视觉识别的水面垃圾清理机器人，针对现有的环保机器人加以改造创新，设计了光伏电板实现更长时效的垃圾打捞，传送带处设计了升降装置以及垃圾聚拢装置实现各类垃圾的打捞，设计了全视角的导航监控装置，识别垃圾并由人工通过无线数台进行远程操控。通过传送装置的优化、丝杠系统的设计、能源转化及信息传送的改进，防止因为垃圾的堆积导致自然生态的失衡，使自然生态保持在平衡的状态。
发明研究的重点：
1、基于视觉识别的水面垃圾清理机器人内部各机构驱动智能化、系统化研究；
2、基于视觉识别的水面垃圾清理机器人坐标算法路径规划设计；
3、基于视觉识别的水面垃圾清理机器人垃圾收集，垃圾处理等多场景适用研究。
发明研究的难点：
1、实现基于视觉识别的水面垃圾清理机器人各机构集约化、轻便化的结构设计；
2、从全局路径规划和局部路径规划角度对移动机器人路径规划的研究方法进行分析与总结，以及移动机器人路径规划算法的未来发展趋势；
3、对中控、抬升、行进、加热四大功能部分进行数据实时采集、分析和反馈，以实现基于视觉识别的水面垃圾清理机器人作中的可控化、可视化；
4、多次实验研究，设计粒子群智能算法，深入改进算法，以实现其较强的安全性实时性及寻优能力。
发明研究的难点：
1、实现基于视觉识别的水面垃圾清理机器人各机构集约化、轻便化的结构设计；
2、从全局路径规划和局部路径规划角度对移动机器人路径规划的研究方法进行分析与总结，以及移动机器人路径规划算法的未来发展趋势；
3、对中控、抬升、行进、加热四大功能部分进行数据实时采集、分析和反馈，以实现基于视觉识别的水面垃圾清理机器人作中的可控化、可视化；
4、多次实验研究，设计粒子群智能算法，深入改进算法，以实现其较强的安全性实时性及寻优能力。
本发明使用方法、附图说明性文字：
本着实用化与绿色化的设计理念，通过人工操作端，使用操作软件对水面清理机器人进行人工控制
，对水面的垃圾及浮萍进行精准清理，也可以运行自动化程序，由水面清理机器人自行在指定区域运作，进行高效清理。
*使用或试用效果：
本项目采用的技术是：垃圾收集装置分为负压聚拢吸引垃圾与水流清理装置、传送装置，行进装置的三叶螺旋桨通过无刷电机控制旋转，设计巧妙，结构紧凑，体积小，适用水域范围广，污染小；智能化程度高，打捞效率大大提高，使用方便，控制精确，稳定性好。针对于粒子群群智能算法，用栅格法建模，然后用粒子群算法寻优，有效缩短了解算最优解的耗时，减少了航行转向点数，得到更优的路径解，提高了算法的可行性和有效性。
*优点：
1、采用计算机远程控制，以便实现远程、实时、高效的运动控制，无人、高速、机动灵活、适应各种气候环境、性价比高等优势。
2、提供了特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输。
3、自主移动：储存箱后方的左右两侧装有两个可相互配合的螺旋桨，可供操作者进行远程操控机器的移动。
4、机器前方装有的聚集管与气泵相配合，聚集管的内侧有数干个气孔，使两杆之间的水面垃圾向内测集中，使之能够有效的被收集
*还需进一步研究的问题：
1、建立全面的路径编程系统，局部路径规划依靠传感器获取周围环境信息和机器人的位置，将各种传感器信息融合后建立环境模型，再通过算法进行路径规划。
2、建立水样采集及清油污系统，搭建多种自主研制的水质监测仪器，实现任意水域、全天候、原位和低成本水质监测与预警。
3、构建强度高且质轻的机械手装置，机械手可以通过岸上人员的操控抓取船首前方水平漂浮物，并将其准确放置在船体中部的置物仓中。
作品图片
查新说明
*查新网址与关键词：
佰腾专利检索网址：https://www.baiten.cn/
关键词1：水面垃圾清理机器人，结果：找到48条相关专利
关键词2：视觉识别机器人，结果：找到25条相关专利
关键词3：无刷电机机器人，结果：找到5条相关专利
关键词4：粒子群算法规划，结果：找到7条相关专利
*与本发明最相近的发明专利、研究文献的名称与摘要：
CN202110271905.2一种水面垃圾清理机器装置
摘要:本发明公开了一种水面垃圾清理机器装置，包括装置机体、喷气装置、传送装置、存储装置、升降装置、行进装置，喷气装置的两组气管分别安装在装置机体的两侧，并由充气泵进行供气；传送装置的传送带两端分别安装在传送带水平支撑架和传送带竖直支撑架上，并由第一伺服电机控制转动；传送装置通过升降装置控制升降；存储装置的水面垃圾收集箱设置在传送带的末端下的装置机体内；行进装置的五叶螺旋桨安装在装置机体后端，并通过第三伺服电机控制旋转。本发明一种水面垃圾清理机器装置，设计巧妙，结构紧凑，体积小，适用水域范围广，污染小；智能化程度高，打捞效率大大提高，使用方便，控制精确，稳定性好，具有可推广的价值。