基于Arduino的水上垃圾回收机器人控制系统设计.pdf

第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023基金项目:河北省教育科学“十四五”规划课题;项目编号:2203145。河北省体育科技研究项目课题;项目编号:2023CY13。2023 年全国大学生创新创业训练计划项目;项目编号:202310084003。作者简介:梁超(2003),男,河北石家庄人,本科;研究方向:机电一体化。通信作者:倪笑宇(1984),男,河北张家口人,副教授,硕士;研究方向:高等教育,机电一体化。基于 Arduino 的水上垃圾回收机器人控制系统设计梁 超1,刘志韬1,余新贝1,孙 彬1,倪笑宇1,2(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.张家口市特种设备智慧监测运维技术创新中心,河北 张家口 075000)摘要:通过对国内水上垃圾回收问题的研究发现,现有的水上垃圾清理船大多体积庞大且依靠燃油驱动,不仅运行能耗大、维护成本高,还会给水源带来其他污染,有些清理船虽然个头小但垃圾的回收效果却不太理想。为了解决这些问题,文章设计了一种基于 Arduino 的水上垃圾回收机器人控制系统,该机器人可以通过无线通信、电机控制、传感器等多种方式,实现对水面垃圾的快速、准确的检测、收集、运行和定位。该系统操作方便,成本低廉,为现有水上垃圾回收机器人的设计方案提供了一种新的思路。关键词:Arduino;水上垃圾回收机器人;无线控制中图分类号:TP242;TP39 文献标志码:A0 引言 随着环境污染的加剧,许多城市的河流、风景区的人工湖泊受到了严重的破坏,塑料漂浮物、树枝碎片等物质混入其中,使人们的生活受到很大影响。目前,国内的城市和湖泊中一些小水体清洁作业主要通过工人驾驶机动或非机动船打捞水面垃圾,这种方式效率低下,且由于工人长时间在水上工作,存在很大的安全隐患。为解决这些问题,本文设计了一种结合AI 视觉的太阳能水上垃圾收集机器人。该机器体积较小,可以自动识别和追踪水上的漂浮垃圾,无需人工控制,在改善生态环境的同时,能很好地适应河流、湖泊等静水区的使用。1 系统硬件设计 当前,机器人的控制系统主要依赖于电子技术。本文将介绍一种基于 Arduino 的水上垃圾回收机器人的控制技术。该机器人的关键部分包括:Arduino 控制单元、收集装置、电源模块、无线控制模块、识别模块和动力驱动单元。其中,动力部分采用水下推进器;收集装置主要由 ULN2003APG 驱动芯片、步进电机以及装有勾臂的传动带组成;自动控制部分则由红外光电感应器、超声波传感器及 OV7670 摄像机等设备组成;而无线控制部分则由 Android 设备以及无线网络接收器等组成。系统结构,如图 1 所示1。1.1 Arduino 控制器本 文 采 用 Arduino Mega 2560 作 为 控 制 器。Arduino 作为一个完全开放了源码的电子平台,在其开源协议允许下可以随意进行修改和设计。同时,这图 1 系统结构款控制器拥有相对灵活、易于操作的软件和硬件,可以提供更多的 I/O 接口,连接更多的传感器模块,进一步保证水上垃圾回收机器人运行的稳定性和反应的及时性。1.2 检测识别模块 本文采用了带有 FIFO 的 OV7670 摄像头模块,此模组体积较小、工作电压低,还可以提供影像处理器与单片 VGA 摄像头的全部功能。同时,FIFO 的存储速度非常快,可以大量快速储存机器人拍摄的照片,方便 CPU 将获得的照片数据慢慢取出并进行分析,大大提高整个系统的运行速度2。1.3 驱动芯片 收集装置选用步进电机来驱动传送带收集水面漂浮垃圾,可以很便利的将垃圾和水分离。同时,选用最常见的 ULN2003APG 驱动芯片来作为步进电机72第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023的驱动芯片,这款芯片拥有一个高效的连接器,能够精确地与电动机的电线相匹配,使得电动机能够轻松地安装在板上。此外,4 个 LED 灯也被安装在 4 根控制输入线上,为步进状态提供指引,使整个系统更加高效、稳定。输入某一相电流为高电平时相对应相的LED 指示灯变亮,使其在运行时不仅可以提供一个良好的视觉效果,还带有一个 ON/OFF 的跳线来隔离步进电机的电源。该芯片驱动步进电机原理,如图 2所示。图 2 ULN2003APG 驱动原理1.4 红外光电传感器 本文选用 E18-D80NK 光电传感器来监测舱体内垃圾的存储量。这种光电传感器具备发出和接收信号的功能,由接收器、发射器以及相应的检测电路组成,具有极高的探测距离,而且可以抵抗大量的可见光,操作方便,价格实惠。1.5 超声波测距模块 由于超声波具有频率高、方向性固定等特点,所以本文选用 HC-SR04 超声波测距模块来进行机器人前进方向上障碍物的检测。HC-SR04 模块能够将超音频信号传输至目标物体。当它碰到障碍物时,会被反射回来,并由其他端口接收。利用这些信号的传输时间差,就能够根据相应的公式来估算出机器和目标物体的距离。此传感器能够自动检测是否有信号传回,只要是在有效的检测范围内就可以自己进行障碍物的锁定,无需人工进行调整,而且该模块拥有性能稳定、测度距离精确、抗环境干扰能力强的特点3。1.6 电池模块 性能良好的电池模组可以更好地保障水上垃圾回收机器人的正常运行,电池采用的是磷酸锂铁电池。该电池具有低电阻和良好的电化学性能,拥有高额定电流、良好的热稳定性和较长的使用寿命;对充电条件的耐受性强,与其他锂离子电池相比应力更小;且能量密度大,可以更好地保障机器人的运行。在船体的上部放置太阳能板能更好地增强机器人的续航能力。1.7 动力驱动模块 机器人动力驱动模块除了要能实现机器人的正常水上前进,还需要解决机器人水上的转向问题。本文采用 2 个 T200 水下推进器安装在机器人的后方,保证其推力能正常推进。同时,将 2 个T200 水下推进器连接至 2 个电机上,电机连接Arduino 控制器,从而能单独控制单个推进器的转速。因此当控制一侧的推进器转速小,一侧推进器转速大,即可实现机器人向转速小的一侧转向,从而实现转向功能。1.8 无线控制模块 该系统主要由 Android 设备和无线网络接收器组成,通过地图软件进行工作区域的划定后,Android 控制设备通过网络向机器人发送命令,机器人接收到信号经过处理反馈后,根据指令在相应的工作区域开始作业。这种操作方法简单便捷,十分容易上手。2 系统软件设计 该控制系统主要由动力驱动系统、自动收集系统、检测回收系统及自动检测系统 4 部分组成。这 4部分相互协调、分工合作来实现机器人对垃圾的精准识别和收集工作。在开机工作后,机器人首先进行自检工作,包括剩余电量、驱动系统正常与否以及垃圾存量等。如果在某一方面出现问题,机器人会向 Android 手机控制端发送相应的警告提示。在人工解决后,自检系统未发现问题后,机器人才会启动在并指定水域内进行自动巡航。在自动巡航时,摄像头会在前进方向上检测是否存在垃圾,如果存在垃圾,机器人会像垃圾方向前进,在接近垃圾后启动收集装置将垃圾收集进舱体内。当垃圾检测装置检测到舱体内垃圾过多或者电量不足时,机器人会自主规划最佳返航路线并向控制端发送警告提示。2.1 启动自检系统 在机器人开机工作后,系统会进行一次启动自检工作,会对机器本身的剩余电量、舱体垃圾存量、驱动装置、识别模块以及回收装置等进行一次流程检测,在确保各装置可以正常工作后,根据控制端发布的命令,自动规划巡航路线。该系统的设计流程,如图 3所示。2.2 巡航收集系统 该系统由 OV7670 摄像头模块、ULN2003APG 驱动芯片、步进电机和特殊设计的传送带组成,能够自动识别水域中的漂浮垃圾,并在发现目标物品后,控制板会控制驱动系统朝垃圾方向移动,等待接近垃圾时,控制板会控制步进电机,将垃圾传送到舱体内,从而实现垃圾的有效回收1。巡航回收系统设计流程,如图 4 所示。82第 17 期2023 年 9 月无线互联科技智能控制No.17September,2023图 3 启动自检系统设计流程3 结语 本文介绍了一种基于 Arduino 控制器的水上垃圾回收 机 器 人 的 控 制 系 统。该 系 统 由 步 进 电 机、OV7670 摄 像 头 模 块、HC-SR04 超 声 波 传 感 器、ULN2003APG 驱动芯片、E18-D80NK 红外光电传感器等元件构成,使机器人具有自动巡航、自动识别、垃圾收集、自动检测的功能,功能齐全,操作简单方便,适用于城市河道与景区湖泊等水域的应用。该机器人能够改善人们所处生活环境的水污染问题,减少水上的垃圾,而且符合现在的环保理念,具有极高的市场应用价值与广泛的推广前景。图 4 巡航回收系统设计流程参考文献1陈利,饶闯,侍中楼.基于 Arduino 的小型水上清洁机器人的控制 J.科学技术创新,2021(21):89-92.2杨荣,王明伟,刘思铭.基于图像处理算法的目标识别、定位与跟踪系统设计与实现J.物联网技术,2020(9):75-79.3郭宇,徐建军,赵河明,等.基于 Arduino 控制器的智能垃圾桶设计J.兵工自动化,2018(3):36-38.(编辑 姚 鑫)Design of control system for underwater garbage recycling robot based on ArduinoLiang Chao1 Liu Zhitao1 Yu Xinbei1 Sun Bin1 Ni Xiaoyu1 2 1.Hebei University of Architecture Zhangjiakou 075000 China 2.Zhangjiakou Special Equipment Intelligent Monitoring Operation and Maintenance Technology Innovation Center Zhangjiakou 075000 China Abstract Through the research on domestic water garbage recycling it is found that most of the existing water garbage cleaning boats are huge and driven by fuel which not only consumes a lot of energy and costs a lot of maintenance but also brings other pollution to the water source.Although some cleaning boats are small the garbage recycling effect is not ideal.In order to solve these problems this paper designs a control system for a water waste recycling robot based on Arduino.The robot can achieve fast and accurate detection collection operation and positioning of water waste through various methods such as wireless communication motor control and sensors.This system is easy to operate and cost-effective providing a new approach for the design of existing water waste recycling robots.Key words Arduino underwater garbage recycling robot wireless control92