基于APM2.8系统的水面漂浮物三体垃圾清理船

赵志敏　李保菊　刘先淼

【摘 要】“先污染后治理，边治理边污染”的发展方式使得我们国家的环境问题并不乐观，其中水面污染的清理问题一直难以解决。为此我们利用APM2.8开源控制模块设计了一条能自主清理水面垃圾的新型三体垃圾清理船，在此基础上还加入了图像传输系统和2.4G手动遥控系统，以便应对突发情况。

【关键词】水面垃圾清理；三体船；智能化；高效；控制

中图分类号： TP273；X52 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）36-0094-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.039

0 前言

随着我国经济的快速发展，过去未被重视的一种水域环境污染——水面垃圾污染也是越来越严重。迅速的城市化和工业化进程、旅游業的发展、民众环保意识的淡薄等因素导致了这些废弃物的产生，使得江河、湖泊和港口，甚至近海的水面飘浮垃圾的污染日益严重，尤其是水流经城镇生活区域的河流段，其污染治理及控制亟待加强。

经过调查研究，我们发现现在的水面垃圾为人工打捞和人工驾驶清理船清理两种，不仅效率低下，还有一定的危险性。在智能化飞速发展的今天，我们完全可以设计一条智能化的船只，规划运行路线，使其具备自动巡航功能，并重新设计外形来提高效率。

1 系统总体设计方案

随着英国首先提出三体船的概念，这种船型在正不断地被证明它所具有的优势，现在已经被应用到军事之中，与单体船相比，三体设计具有更快的航速、更低的燃料消耗、更好的适航稳定性和更出色的操纵性，在中高速时较单体船可节省有效功率15%-20%，既然有如此优势，那我们为什么不可以将它用到民生当中呢？在此启发下，我们设计了一款智能化的三体垃圾清理船（图一），两侧副船搭载螺旋桨驱动电机、传送带驱动电机和电子调速器。主船与副船连接的甲板各有一个摄像头，用来实时监控水面状况，主船搭载APM2.8主控模块、GPS、5.8G 40ch的无线图像传输模块、WFR07S 2.4G接收机和多视角视频切换开关，甲板下为垃圾收集传送装置，在传送带电机的带动下，将垃圾传送至船尾的垃圾收集箱。

2 硬件结构及电路原理

1）APM2.8控制器硬件结构：MCU为爱特梅尔（Atmel）的8bit ATMEGA2560，三轴陀螺仪和三周加速度计型号为MPU6000，空气压力传感器 MS-5611，16MB的 AT45DB161D 存储器，三轴磁力计型号为HMC5883，支持8路PWM控制输入及11 路模拟传感器输入，GPS模块 MTK 3329 及支持 ublox输出的 NEO-6M、7M、LEA-6H，通过I2C接口将罗盘外接。

2）图像传输系统

（1）TS832发射机频率/频道数量：32个频率

输出功率：600MW

传输距离：最小4KM的视线

频率控制：内置频率锁相环

AV输入：模拟AV信号输入

ANT接口：SMA（针里面）

电源：DC7-12V

（2）RC832接收频率： 32个频率

接收灵敏度：-90dBm

工作频率控制：内置频率和相位锁定回路

双线AV输出：模拟的AV信号输出

天线连接器：SMA（针里面）

电源电压：DC7-12V

APM2.8控制器软件结构：APM2.8控制系统作为一款完全开源的模块，利用Mission Planner软件，可以进行对APM2.8模块的固件烧写、参数调节以及数据传输。

在 APM 控制系统中，采用的是两级PID 控制，第一级是导航级，第二级是控制级。导航级先确定船只的行驶路线，以及所需要的转弯角度，通过内部算法给出目标需要执行的各个数据，再交给下一级的控制级控制。控制级接收导航级发送的行驶路线数据，并采集船只目前位置信息，通过内部姿态解算，计算出用于实时控制电机运动的 PWM 脉冲信号，调整转向角度，使船只按照预定的轨迹路径进行行驶。

有刷电调是将控制器的PWM信号转化为电流大小，从而控制电机的转速。

3 设计优势创新点

这种新型水面漂浮物垃圾清理船与传统的人工打捞和人工开船打捞相比，智能化程度高，可以在无人为干扰的情况下自动完成对水面漂浮垃圾的巡航清理。操作简单，不需要具备开船知识，紧急情况通过遥控即可完成相关动作；双桨推动，转弯半径更小，能在小水域进行工作，其次空间大，能耗小，效率高，更为安全都是传统清理方式无法相比的。

4 结论

随着信息化社会的飞速发展，小到扫地机器人，大到一条生产线，智能化早已进入各行各业，环境的治理也越来越注重智能化，而水面垃圾的治理仍停留在人工打捞阶段。此设计为基于APM2.8系统的水面漂浮物三体垃圾清理船，将水面垃圾清理与智能控制相结合，可以用来代替传统清理方式从而实现无人化的高效打捞。

【参考文献】

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