基于OpenMV与GPS导航的湖面漂浮物清理双体船设计.pdf

今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design40 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5伴随我国21世纪以来的经济腾飞与工农业发展，生态环境问题日渐尖锐。在目前诸多河流污染处理方法中，市面上的生态清理船仍囿于经济成本的限制，多采用人力打捞或专人驾驶清洁船的方式打捞漂浮物，这一方法效率低，耗时长，适用范围窄，经济成本高。针对此问题，考虑到某些水域情况复杂场景（如弯道、小瀑布等）下的水面漂浮物处理，有清理难度大、耗时长、多积累细小漂浮物等导致的一系列问题，文章基于 OpenMV 与 GPS 导航技术设计了一款智能湖面清理船，充分考虑了水环境清理亟需智能化、自动化等诸多需求，利用 OpenMV 的机械视觉智能识别功能和 GPS 导航的定位系统，实现了清理船自动识别并打捞水面漂浮物的功能，且能够在满载后自动返航。1 功能与设计1.1 水面漂浮物识别OpenMV 是一个以 STM32F765VI 为核心，搭载了 OV7725摄像头芯片的机器视觉模块，可以使用Python 语言来实现机器视觉算法。通过 OpenMV 进行简单的图像识别，让小船分辨出要打捞的漂浮物。若漂浮物大到无法打捞，小船将自动绕过，反之将其打捞进入漂浮物箱。本模块也可以实现让小船离岸一段距离时转弯驶离，防止搁浅。1.2 GPS系统与自动返航自动返航是指无人机在飞行过程中，当遇到较为恶劣的自然环境和突发情况，无人机与地面基站出现失去通信的现象时，无人机能够快速判断目前的失联情况，然后自动作出返航“决断”的技术。1.2.1 低电量自动返航使用库仑计模块，通过充电和放电的电荷数量进行算法修正，实现较为准确的电量显示功能，将电量数据实时通过 Wi-Fi 模块反馈给手机，根据初始设置的限定电量值，来向单片机发送“返航信号”：当电量小于或等于限定值时，通过中断系统，直接使小船返航至初始点。1.2.2 低容积余量自动返航通过红外检测模块来进行漂浮物装载的检测。其原理是在漂浮物装载仓内设置一个红外接收器，当未装载漂浮物时，接收器始终能接收到红外发送器发送的红外信息；当装载漂浮物达到一定量时，便会阻挡红外发射器发射出的红外线，使接收器无法接收到红外信号，此时接收器反馈给单片机，通过中断系统进行返航处理。2 电子硬件与智能化实现2.1 总体框架文 章 以 STM32zet6 作 为 主 控 芯 片，利 用ESP8266、GPS、OpenMV 机器视觉、TB6612驱动等模块，为主体建立设计了手动操控模式与自动清洁模式，以此实现湖面清理船的智能化与自动化。图1为湖面清理船功能流程。手动模式中主要通过 ESP8266模块建立局域网，来搭建操控者与主控芯片之间的信息传输桥梁，以此实现利用手机 APP 隔空控制单片机，来间接控制电机正反转与调速。而自动模式中，以 OpenMV 机器视觉模块为核心，可以自动识别水面漂浮物颜色形状与障碍物，以此通过向单片机输送反馈信号自动控制电机调速反转，以实现清理船准确打捞目标漂浮物与摘 要文章设计了一种智能湖面清理船，可以通过 OpenMV 机器视觉自动识别水面漂浮物，并进行自动拾取和自动巡航，当电池电量较低或漂浮物满载时，可以通过 GPS 模块与 PID 算法实现自动返航。关键词清理船；自动返航；OpenMV 机器视觉识别中图分类号X52；U674.2 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05004003Design of Catamaran for Cleaning Floating Objects on Lake Surface Based on OpenMV and GPS NavigationHU Wenbo，CAI Minghao，YANG Rui，JIANG QiaoyuAbstractThis article designs an intelligent lake cleaning ship that is able to recognize floating objects on the surface of water and collect them automatically based on OpenMV with automatic navigation function.When the battery level is running low or the floating objects are fully loaded,the ship can automatically return by GPS module and PID algorithm.Keywordscleaning ships;automatic return;OpenMV machine vision recognition基于O p e n MV 与G P S 导航的湖面漂浮物清理双体船设计胡文博，蔡明昊，杨睿，蒋乔雨（西南交通大学电气工程学院，四川成都610000）今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design2 0 2 3.5 今日自动化 412 0 2 3 年第5 期2023 No.5避障的功能。2.2 手动模式ESP8266是一款物联网 Wi-Fi 芯片，主要支持station 模式、softAP 模式、softAP+station 共存模式。利用 ESP8266可以实现非常灵活的组网方式和网络拓扑。考虑到实际所需，文中主要使用 softAP 模式，将 ESP8266作为 softAP，手机、电脑、用户设备、其他 ESP8266 station 接口等均可以作为 station 连入ESP8266，组建成局域网，然后用户即可通过手机或电脑连接 Wi-Fi 实现单片机控制。图2为手动模式控制流程。ESP8266用户终端控制信号主控芯片电机调速/转向指令图2 手动模式控制流程2.3 自动模式2.3.1 OpenMV在自动清洁模式下，湖面清理小船可以通过OpenMV 摄像头自动追踪目标。通过配置OpenMV的画面帧率、颜色追踪等函数，实现对目标黄色乒乓球的追踪。在得到有效参数后，OpenMV 通过串口与 STM32单片机通信，将上述数据传输给 STM32单片机，通过单片机控制小船实现对漂浮物的定点打捞。用户可以通过改变不同的阈值，来寻找不同环境下的漂浮物。2.3.2 GPS模块在自动清洁模式下，当船体载重达到阈值或者达到设定的返航时间时，通过 GPS 模块输出经纬度数组辅助清理船返回预设点，以此达到智能清理船自动返航的功能。例如，当电量消耗到一定量时（工作时间到达极限时），或者安置于装载仓内的红外模块检测到载重达到阈值时，小船将通过 GPS 模块驶向设定的初始位置，该位置由 GPS 模块读取获得。在 GPS 获得经纬度坐标后，通过 PID 控制算法对设定坐标与现在坐标进行差值运算，实时调节电机转速，直至现在坐标到达预定坐标位置。其中，PID（Proportional Integral Differential）控制算法是结合比例、积分和微分3种环节于一体的控制算法，是目前闭环控制算法中最为成熟的一种。在自动返航中便可以利用 PID，使船体精确返回到指定坐标。（1）式中，KP为比例增益；Ki为积分时间常数；KD为微分时间常数；out 为输出数据；err 为现有数据与给定数据之间的差值。P 算法可以成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，可以立即产生控制作用以减小偏差，但是无法清除小误差，从而产生震荡。而 D 算法可以微分出系统反应的速度，从而抵消大部分 P 算法产生的震荡。而 I 算法则是为解决系统始终无法达到选定值所导致的无法平衡问题，I 算法可以积累整个系统运行过程中产生的所有误差，为系统提供一个较小的修正力，使系统缓慢靠近预定值。在本设计中，可以通过 GPS 模块实时获得当前经纬度，再将当前经纬度与设定经纬度作差值，得到err 变量，通过试验获得 Kp、KI与 KD3个参数，再通过 PID 算法，即可精确地使清理船到达指定的经纬度。3 船体结构特化设计3.1 个性化双体船船体结构双体船是指在两个分离的水下船舱上部，用加强构架连接成一个整体的“船舶”。两个船体内各设有一个推进器，连接两个船舱的构架称为连接桥。双体船具有稳定性好、操纵灵活等优点，常用作中、小型客船和渡船。本节将介绍把双体船作为清理船主体设计的优势。（1）稳性好。相比于追求快速性能的长宽比81，甚至达到9 1的细长型船只（常见于军舰、货运船），双体船长宽比小，船体横摇时复原力矩更大，不容易左右摇晃。船舶的横倾角在1015的稳性条件下，船体的复原力矩可认为是横倾角的正弦函数，可由以下公式计算：（2）（3）式中，h 为初稳性高度；为排水量；KB 为浮心高度；BM 为横稳心半径；KG 为重心高度。在排水量相同的情况下，浮心高度与横稳心半径双体船、WiFi控制功能选择自动巡航返回原点随机巡航openMV保障避障打捞垃圾识别垃圾GPS定原点手机APP操控由操作者自己完成打捞监控画面并反馈画面1.垃圾满载2.电量过低图1 湖面清理船功能流程今 日 自 动 化Automation Today智能制造与设计Intelligent manufacturing and Design42 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5细长型船只相同，而双体船重心更低，初稳性高度更高，复原力矩更大，因此，船舶在相同横倾角下更稳定。（2）甲板开阔，方便布置。双体船由于其独特的低长宽比特点，在甲板布置方面有明显优势，其甲板面积比相同排水量的单体船大出许多，此特点更有利于清理船表面部署大容量水面漂浮物的收集装置。在本项目中双体船的开阔甲板，有利于放置用于收集水面漂浮物的可拆卸式漂浮物筐，有利于对水面清理船收集能力的高要求。（3）设备安全性更高。由于双体船多采用轻木或泡沫结构，以及船底通常有数个水密舱室，因此，双体船具有较多的浮力来源，即使面对特殊情况导致船舱进水，也可以保证双体船相较于单体船更难沉没，这在一定程度上提高了船体搭载的电子系统的安全性，为船整体安全提供了更高的保障。3.2 可拆卸式设计3.2.1 可拆卸式漂浮物筐可拆卸式漂浮物筐主要参数为长250 mm、宽210 mm、高150 mm，顶部与后侧镂空，顶部作为漂浮物的进口，后侧加装固定工件用于装备后盖，方便倾倒收集的水面漂浮物，漂浮物框向内抽壳厚度3 mm，筐底部留有一小坡度斜坡（tan =4.91）用于引导漂浮物向下集中。漂浮物框通过工件与船体相固定，漂浮物框背侧通过滑轨工件与亚克力板结合，在实际使用过程中，可将亚克力板抽出，以完成清理船已收集漂浮物的集中与处理。3.2.2 浮筒浮筒位于船体外侧，属于易磨损部件，在设计中选用了灵活的可拆卸设计，双体船船体主干外部安装有浮筒固定工件，主要尺寸为内径200 mm、厚度2 mm、长度100 mm，环绕一圈有矩形镂空以增强其结构韧性。浮筒主要尺寸为直径180 mm、长度300 mm，经测试后，完全浸水可产生140.81 N 的浮力。在具体设计中，使用螺母螺帽，将改良木工滑块与船体主干连接，再将滑块与浮筒固定工件利用榫卯结构固定，以实现浮筒固定部件的更换。4 调试与性能本节介绍衡量智能水面清理船性能的主要指标。4.1 漂浮物识别准确度漂浮物识别准确度主要是在近岸中，测试了机器视觉识别系统的抗干扰能力与识别能力。文章设置了3组对照组，分别为乒乓球-树叶、乒乓球-石块、塑料袋-树叶，在3组试验中，识别准确率分别达到了100%、100%、90%，综合准确率可达到90%以上。4.2 电池续航能力恒定电流下，电池的放电时间与放电容量系数、电池温度系数、实际电池所在地环境温度的数值、电池老化系数、电流大小、电池容量有关。根据式（4）对电池的续航能力进行简单预测，得出额定电流下可续航19.44 min。（4）4.3 漂浮物负载能力根据计算可得，漂浮物装载仓的容量（红外接收器以下体积）约为6 470.9 cm3，同体积水产生的重力约为63.41 N，实际情况下漂浮物密度小于水，由此计算可得，清理船可以满负载运行，容量为6 470.9 cm3。5 结束语文章基于目前水域水面情况复杂、漂浮物难以处理的问题，设计了一款湖面智能清理船，并从设计理念、软/硬件设计思路、船体结构设计思路、商业化展望与经济效益分析等多个方面，进行了阐释说明。目前整机已完成所有功能的测试，系统框架与功能均得到较好的实现，研究如何降低其基础成本，并提高功效是文章下一步的研究重点。参考文献1 刘康，张家田，严正国.一种改善无人机自动返航降落误差的方法 J.现代电子技术，2018，41（6）：61-64，69.2 丁丽佳，刘鑫，赵岳，等.遥控水面垃圾自动清理船 J.科技信息，2009（11）：108-109.3 李成勇，谭寒钟，王莎，等.基于 OpenMV 的智能“寻的”小车控制系统 J.液晶与显示，2020，35（8）：870-876.4 李传兴.规则波浪中的船舶稳性研究 D.大连：大连理工大学，2005.5 汪浩，张旭，刘祎.基于 Wi-Fi 模块的“互联网+”智能家居设计 J.南方农机，2022，53（5）：123-126.6 梁子寒，王晨升，杨光.基于 ESP8266 的远程控制插座设计 J.中国科技论文在线精品论文，2019，12（6）：1029-1043.7 卢思雨，张建伟，王稳.一种水车式湖面垃圾清理及水体增氧双体船结构设计 J.机械工程师，2020（9）：48-50.