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It is an urgent problem to be solved. In order to effectively solve the problem of floating debris cleaning in small water area, it is of great significance to develop a low-cost surface cleaning robot capable of collecting debris. In this paper, a kind of sundry collection robot on the surface of lake is designed. This robot adopts the structure of left and right hulls, and is powered by batteries. It drives the dc motor and propeller respectively, and the propeller drives the forward and steering of the ship. The salvage conveyor belt is driven by a belt drive, which transports the sundries from the surface of the water to the sundries collection box. When the sundries collection box is full, the robot returns to the designated place to manually dump the sundries, thus completing the collection of sundries. The robot collects images of sundries and obstacles on the water surface at a distance through the graph transmission system, and controls the direction and speed with the control system based on STM32 single chip microcomputer. It can reduce the environmental pollution of the water area, reduce the labor cost, and has a good prospect of industrial application. At present, the cleaning of small waters mainly adopts manual cleaning. The cleaning boats on the market are mainly for large waters. As present, the development prospect of small water surface sundries collection is to replace manual sundries collection by robot. Keywords: robotization ; intelligentialize ; Sensor; Collection of sundries 目 錄 第一章 緒論 1 1.1課題研究的背景和意義 1 1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 3 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 5 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 3.1機(jī)械本體設(shè)計(jì) 7 3.2動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 8 3.3收集裝置電動(dòng)機(jī)選擇 10 3.4蓄電池選擇 10 3.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.5.1同步帶輪的選擇 10 3.5.2軸的計(jì)算 11 3.6雜物收集箱設(shè)計(jì) 12 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 4.1控制方案選擇 13 4.2單片機(jī)的介紹及選型 14 4.2.1單片機(jī)的介紹 14 4.2.2單片機(jī)的選型 14 4.3 檢測(cè)傳感部分設(shè)計(jì) 15 4.3.1圖像收集裝置選型 15 4.3.2光束遮斷式傳感器選型 16 4.4繼電器模塊設(shè)計(jì) 17 4.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 17 4.6程序設(shè)計(jì) 17 結(jié)束語(yǔ) 19 致 謝 20 參考文獻(xiàn) 21 附錄 22 第一章 緒論 1.1課題研究的背景和意義 最近幾年，雖然我們國(guó)家越來(lái)越重視對(duì)于環(huán)境的保護(hù)，但是環(huán)境污染問(wèn)題特別是水域污染問(wèn)題依舊嚴(yán)重，這是因?yàn)槿藗冊(cè)谥匾暺浣?jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)卻往往會(huì)忽略對(duì)環(huán)境的保護(hù)，譬如，在水面上飄浮著的各種垃圾日益增多。這些漂浮雜物，不僅會(huì)污染相關(guān)水域的生態(tài)環(huán)境，危害該水域生存的各類植物、魚(yú)類以及藻類等生物，更是會(huì)危害到在該水域附近生活人民群眾的身體健康和生活質(zhì)量。甚至在某些水域，大量的雜物堆積會(huì)堵塞航道，不利于船只的通行。如果雜物堆積在水庫(kù)等重要水域，不僅會(huì)影響人們的日常用水，甚至?xí)：Υ髩蔚陌踩?。?dāng)大壩的安全受到危害，輕者造成大量財(cái)產(chǎn)損失，更有甚至?xí)：Φ饺嗣袢罕姷娜松戆踩?。因此，水域雜物收集(就本文而言是湖泊水面雜物收集)已經(jīng)成為美化環(huán)境和促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)、高效發(fā)展的重要內(nèi)容之一。 根據(jù)查閱資料可知，針對(duì)大型水域水面雜物收集的機(jī)械收集方式和針對(duì)小型水域水面雜物收集的人工收集是目前最主要的兩種水面雜物的收集方式。垃圾清理船是針對(duì)大型水域水面雜物收集的機(jī)械收集方式之一。因?yàn)榇笮退蛩骐s物一般量大且集中，垃圾清理船一次性清理量大的特點(diǎn)正好針對(duì)該類水域的雜物堆積特點(diǎn)，這就能很好的提高大型水域水面雜物收集的效率。但是對(duì)于在小型水域的比較分散的漂浮雜物，垃圾清理船的體積和重量偏大，無(wú)法對(duì)雜物進(jìn)行有效的收集。采用人工收集的方式是收集這些分散漂浮雜物的主要方法。但是，根據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)分析人工收集不僅人力、物力和財(cái)力高，還存在很大安全隱患。目前，人工收集的方式主要針對(duì)湖泊、小河等小型水域水面漂浮雜物。但是市場(chǎng)上的水面垃圾清理船造價(jià)高昂、制造困難、操作復(fù)雜、體積龐大且無(wú)法有效收集小型水域水面雜物，而對(duì)于湖泊等小型水域用人工收集水面漂浮雜物的方式只是權(quán)益之計(jì)。針對(duì)以上這些人工手機(jī)方式凸顯的問(wèn)題提出了通過(guò)機(jī)器人代替人工,這相對(duì)于人工收集減少人工收集雜物的危險(xiǎn)，而且采用機(jī)器人收集雜物還可以提高工作效率。 根據(jù)上文的要求本文設(shè)計(jì)了一款湖泊水面雜物收集機(jī)器人，基于STM32單片機(jī)控制，以圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器作為檢測(cè)元件，通過(guò)螺旋槳推進(jìn)，從而收集水面雜物。首先該設(shè)計(jì)的湖泊水面雜物收機(jī)器人體積要適中，這樣才能在具有更大的活動(dòng)空間，達(dá)到水面的犄角之處的同時(shí)更多的收集水面雜物，這樣才能可以大大的提高水面雜物的收集效率。 1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國(guó)外的最先開(kāi)始重視該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)的水面雜物收集裝置多種多樣、百花齊放。目前，比較出名的水面清潔船的是韓國(guó)、日本、意大利等國(guó)生產(chǎn)的，這些國(guó)家的水面清潔船在全世界范圍都具有很強(qiáng)的名望。 韓國(guó)名為“海洋清掃號(hào)”是一艘可以在水深只有兩米的水域清理水面垃圾并收集水面雜物的垃圾清理船。同時(shí)也可以打撈沉積在水底15m深處的垃圾。主要包括了一具抓鏟，這抓鏟是多關(guān)節(jié)的，且長(zhǎng)達(dá)20m，同時(shí)還有用于收集水中雜物的漁網(wǎng)，漁網(wǎng)也可以提高水面雜物收集的效率。海洋清掃號(hào)收集的垃圾及雜物最大可達(dá)40噸。 日本“みずき”號(hào)總長(zhǎng)30.3m，型寬11.6m，深3.8m，最高航速14.65kn，是一艘環(huán)保型船，它的作用是回收水面特別是大型水域水面垃圾。其回收大型水域水面雜物主要通過(guò)從船體中部開(kāi)口部放下垃圾收集裝箱，然后將垃圾引入，其中有2只為No.1箱35m3，No.2箱15m3垃圾收受集裝箱。船型采用非對(duì)稱雙體型可以提高垃圾回收效率。みずき船體結(jié)構(gòu)有別其他的設(shè)計(jì)，他的設(shè)計(jì)偏向于縱肋骨方式，還設(shè)計(jì)了壓載艙設(shè)在首尾兩舷的特殊結(jié)構(gòu)。其他的設(shè)計(jì)還包括設(shè)在船尾的垃圾回收補(bǔ)助用調(diào)查艇。 美國(guó)聯(lián)合國(guó)際船舶公司(UMI)研制了清潔船主要功能是清理水面垃圾的TrashCat系列清潔船，推進(jìn)力通過(guò)兩個(gè)螺旋槳提供，采用了雙船體型。該型號(hào)的清潔船己使用二十多年，技術(shù)相對(duì)比較完善。 與國(guó)外相比，雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于水面雜物收集裝置的研究較晚，但是在各方面人才的研究之下，也有很多優(yōu)秀的水面雜物收集裝置被設(shè)計(jì)出來(lái)，例如蘇州造船廠研究和建造的400kN內(nèi)河打撈工程船、天津新港船廠研究和建造的 “方通號(hào)”、由國(guó)內(nèi)幾方合作共同研發(fā)建造的世紀(jì)之光等。 蘇州造船廠建造的400kN內(nèi)河打撈工程船航行時(shí)最大吃水深度可以非常低，甚至可以不超過(guò)0.87m。蘇州造船廠不僅為它設(shè)計(jì)了內(nèi)河駁船型線，還為它設(shè)計(jì)了尾閉式的雙隧道的系統(tǒng)。400kN內(nèi)河打撈工程船使用柴油機(jī)，因此也具有不低的航速，它的航速可達(dá)13km／h；400kN內(nèi)河打撈工程船船體的上層部分最高點(diǎn)離水面低于4.35m，這是為了更好的通過(guò)橋等建筑物。進(jìn)行垃圾清理工作時(shí)，滑輪軸所具有的中心距400kN內(nèi)河打撈工程船船首的水平距離大于或等于3.1m。 由天津新港船廠建造的水上清掃船“方通號(hào)”優(yōu)點(diǎn)非常多，且以電為動(dòng)力，沒(méi)有污染。在接近垃圾后，船上作業(yè)設(shè)備，將水面上雜物打掃一盡。該船實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)清掃、收集、儲(chǔ)存水面雜物，而且還可以沖刷岸上雜物，澆灌河邊綠地。 世紀(jì)之光是我國(guó)第一艘具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水面清潔船。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的比較，我們可以看出：國(guó)外由于早年發(fā)展快，較早的提出了對(duì)于水面雜物收集的需求，所以獲得了較多的發(fā)展時(shí)間，形成了相對(duì)完善的技術(shù)，同時(shí)國(guó)外的雜物收集裝置功能也較全，特別是在自動(dòng)化方面的發(fā)展程度非常高除。具備雜物收集功能外，還集合了檢測(cè)水質(zhì)、航線導(dǎo)航、地點(diǎn)定位等特點(diǎn)。相比于國(guó)外，我國(guó)由于某些歷史原因，某能及時(shí)的跟上發(fā)展的步伐，但是因?yàn)橛袊?guó)外技術(shù)的先決條件再加上中國(guó)人民自己的智慧也發(fā)展出了一些優(yōu)勢(shì)，特別是在智能化發(fā)面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)外。在市場(chǎng)存在較多的大型水域水面垃圾清理裝置，其中相對(duì)成熟的是水面清潔船，水面清潔船的功能也有較為全面。但是針對(duì)小型水域仍然存在以下問(wèn)題：一是由于水面清潔船體量大無(wú)法正常在小型水域運(yùn)作。二是現(xiàn)有的水面清潔船在清理垃圾保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，危害附近水域各類動(dòng)植物、魚(yú)類、藻類等生物的健康，而這是因?yàn)槭褂玫氖遣裼蜋C(jī)。三是現(xiàn)有的水面清潔船會(huì)產(chǎn)生很大噪音；四是存在一定的安全問(wèn)題。綜上可知，目前對(duì)小型水域的清理主要采用人工清理，市場(chǎng)上的清潔船主要針對(duì)大型水域。本課題設(shè)計(jì)的湖泊水面雜物收集機(jī)器人可以減輕水域的環(huán)境污染問(wèn)題，減少人力，它的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景也是非常的廣闊。 因此，本文設(shè)計(jì)了一種湖泊水面雜物收集機(jī)器人，基于STM32單片機(jī)控制，以用圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器作為檢測(cè)元件，通過(guò)螺旋槳推進(jìn)，從而收集水面雜物，其對(duì)于小區(qū)域的雜物收集效果極好。它可以減輕水域的環(huán)境污染問(wèn)題，也可以填補(bǔ)當(dāng)前市場(chǎng)上小型水域雜物收集機(jī)器人的空缺。目前對(duì)小型水域的清理主要采用人工清理，市場(chǎng)上的清潔船主要針對(duì)大型水域，本課題的研究項(xiàng)目提供一種新的小型的水面雜物收集機(jī)器人，這具有十分重要的意義。 1.3主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 湖泊水面雜物收集機(jī)器人要求如下： （1）主要作用是收集水面漂浮雜物，例如飲料瓶、塑料袋等； （2）能夠識(shí)別并避開(kāi)障礙物； （3）能夠在一定程度上避免水草的纏繞； （4）能在收集一定雜物后返回指定地點(diǎn)。 該設(shè)計(jì)的湖泊水面雜物收集機(jī)器人采用雙船體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以蓄電池供電，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。螺旋槳推進(jìn)器可以驅(qū)動(dòng)船的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)打撈傳送帶，打撈傳送帶把雜物從水面運(yùn)到雜物儲(chǔ)存?zhèn)}，雜物儲(chǔ)存?zhèn)}裝滿了后，機(jī)器人自動(dòng)返回指定地點(diǎn)人工傾倒雜物，從而完成雜物的收集。機(jī)器人通過(guò)圖像收集裝置采集遠(yuǎn)距離水面雜物及障礙物影像，用基于STM32單片機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行方向、速度的控制。 本文設(shè)計(jì)的湖泊水面雜物收集機(jī)器人對(duì)于保證水域環(huán)境的整潔與美觀，營(yíng)造讓人心情愉悅的環(huán)境有著十分重要的意義和作用，湖泊水面雜物收集機(jī)器人的推廣和使用，可實(shí)現(xiàn)水面雜物收集自動(dòng)化，極大的提高水面雜物收集效率，同時(shí)又起到對(duì)水面環(huán)境的維護(hù)保障功能。與水面雜物的人工打撈相比，采用湖泊水面雜物收集機(jī)器人可以極大地提高工作效率，這也是進(jìn)行環(huán)境保護(hù)在水面雜物收集方面的重大進(jìn)步。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 該機(jī)器人主要收集的是漂浮在水面上的小型雜物，首先預(yù)估的湖泊水面雜物機(jī)器人的大小及載重，通過(guò)查閱資料并結(jié)合老師建議選用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)；收集雜物預(yù)想采用網(wǎng)狀式雜物收集箱來(lái)進(jìn)行雜物的存放；通過(guò)圖像收集裝置采集遠(yuǎn)距離水面雜物及障礙物影像；控制部分的核心是STM32單片機(jī)芯片，通過(guò)單片機(jī)可以整個(gè)湖泊水面雜物機(jī)器人的方向和速度等；當(dāng)雜物收集滿后返回指定地點(diǎn)人工傾倒雜物。 整個(gè)湖泊水面雜物收集機(jī)器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)合理，材料易尋且價(jià)格合理外觀簡(jiǎn)約且美觀，采用電力驅(qū)動(dòng)節(jié)約能源、無(wú)污染，且收集雜物快速有效。 表2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表 機(jī)械本體 船體 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分 螺旋槳推進(jìn)器、伺服電機(jī)、蓄電池 測(cè)試傳感部分 圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器 控制部分 STM32單片機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，繼電器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳送帶、雜物收集輔助裝置 湖泊水面雜物收集機(jī)器人的構(gòu)成如表2-1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械本體是船體，主要讓湖泊水面雜物收集機(jī)器人漂浮于水面并支持其他結(jié)構(gòu)的作用；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分主要包括螺旋槳推進(jìn)器、電機(jī)、蓄電池，其中螺旋槳推進(jìn)器提供整個(gè)湖泊水面雜物收集機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)為傳送帶和雜物收集輔助裝置提供動(dòng)力，而蓄電池則為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)源；測(cè)試傳感部分包括圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器，其中圖像收集裝置收集湖泊水面的雜物信息，而光束遮斷式傳感器用于判斷雜物收集箱雜物收集；控制及信息處理單元包括STM32單片機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，繼電器，其中STM32單片機(jī)是整個(gè)湖泊水面雜物收集機(jī)器人的控制中心，而伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和繼電器用于控制螺旋槳推進(jìn)器和電機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括傳送帶和雜物收集輔助裝置，兩者用來(lái)收集湖泊水面雜物。 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械本體設(shè)計(jì) 機(jī)械本體承載整個(gè)系統(tǒng)的部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)造功能。 機(jī)器人機(jī)械本體選用船體，船體是湖泊水面雜物收集機(jī)器人的軀體部分，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著非常重要的作用，船體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)減輕了湖泊水面雜物收集機(jī)器人的自重，更重要的是增加了安放電機(jī)和控制部分的空間。在船體上需要安裝收集裝置、螺旋槳推進(jìn)器、打撈裝置、雜物收集箱、控制部分，驅(qū)動(dòng)部分等機(jī)構(gòu)；還需要隔斷外部水的環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，起到隔離的作用。 機(jī)器人的船體采用左右對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)不僅在船體的基礎(chǔ)上更加減輕了機(jī)器人的自重，還減少了湖泊水面雜物收集機(jī)器人在水中航行受到的阻力，對(duì)于整個(gè)湖泊水面雜物收集機(jī)器人的設(shè)計(jì)有著至關(guān)重要的作用。 前方有兩個(gè)支撐部分和連在一起的兩個(gè)凸臺(tái)，用來(lái)安放雜物收集輔助裝置和連接桿。連接桿用來(lái)使左右雜物收集輔助裝置同步，同時(shí)連接桿上有兩個(gè)錐齒輪和一個(gè)帶輪用來(lái)傳遞力。同時(shí)船體前部還有三個(gè)凸臺(tái)，其中一對(duì)對(duì)稱安置放軸承的支架，對(duì)應(yīng)船中部也有一對(duì)。船前部還有一個(gè)凸臺(tái)安裝帶輪及軸，連接兩個(gè)帶。另外左邊船艙有一個(gè)用于放置電機(jī)的凸臺(tái)。右邊鑄有控制部分放置盒。 船中部有支撐梁和船體一體鑄造，可用于安放圖像收集裝置。 船的頂部有一個(gè)頂棚，通過(guò)支撐梁和船焊接在一起，頂棚可以安裝簾子，用來(lái)防雨和防水。 雜物收集箱安放于船體尾部。 船體用灰鑄鐵HT200制作而成，總長(zhǎng)1200mm，寬800mm，高600mm，它的總體尺寸設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3-1。 圖3-1 湖泊水面雜物收集機(jī)器人裝配圖 3.2動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分是系統(tǒng)能量和動(dòng)力的來(lái)源，其輸出的動(dòng)力選擇的來(lái)源是控制系統(tǒng)的控制要求，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。 1）湖泊水面雜物收集機(jī)器人的滿載排水量 其中機(jī)械本體、蓄電池、螺旋槳推進(jìn)器的重量、所能存儲(chǔ)的雜物的最大重量分別預(yù)估為80kg、 10kg、 10kg、80kg。 故總質(zhì)量為 式（3-1） 因此該船的重排水量為 式（3-2） 2）最大吃水深度的計(jì)算 該湖泊水面雜物收集機(jī)器人的面積由我們所選擇的數(shù)學(xué)公式計(jì)算得； 公式可以計(jì)算我們所需要的機(jī)器人船體的最大吃水深度： 式（3-3） 該湖泊水面雜物收集機(jī)器人的船體高度為320mm小于計(jì)算所得200mm的吃水深度，因此機(jī)器人的高度滿足需求。 3）動(dòng)力裝置選擇 由于該湖泊水面雜物收集機(jī)器人機(jī)械本體采用的是船體機(jī)構(gòu)，因此推進(jìn)方案可以選擇船用推進(jìn)器。而現(xiàn)代船用推進(jìn)器應(yīng)用最廣的是螺旋槳，螺旋槳不僅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，還有造價(jià)成本低，效率較高的特點(diǎn)，更重要的是螺旋槳使用方便。在本設(shè)計(jì)中螺旋槳推進(jìn)器可以將動(dòng)力裝置及電機(jī)提供的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力，從而推動(dòng)湖泊水面雜物收集機(jī)器人直行或轉(zhuǎn)彎，是這個(gè)湖泊水面雜物收集機(jī)器人必不可少的部分。 侵濕的面積計(jì)算根據(jù)湖泊水面雜物收集機(jī)器人在上一步計(jì)算所得最大吃水深度時(shí)的值為 200mm，根據(jù)計(jì)算侵濕的面積的數(shù)學(xué)公式計(jì)算可得，現(xiàn)假設(shè)設(shè)在水中湖泊水面雜物收集機(jī)器人行駛時(shí)的速度約為1m/s,那么湖泊水面機(jī)器人在湖泊行駛過(guò)程中，水流對(duì)船體的阻力可以根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式計(jì)算得： 式（3-4） 由 式（3-5） 可得驅(qū)動(dòng)機(jī)器人需要900W的功率，及每個(gè)螺旋槳推進(jìn)器的功率為450W 根據(jù)分析我們選用了六葉螺旋槳推進(jìn)器。根據(jù)前面我們經(jīng)由計(jì)算所預(yù)估出來(lái)100mm吃水深度 將螺旋槳布置于船體下方兩側(cè)尾部，可以使螺旋槳產(chǎn)足夠推力，而且更加方便于通過(guò)螺旋槳使船體轉(zhuǎn)向，這具有很強(qiáng)可操控性。 故根據(jù)以上計(jì)算步驟和計(jì)算出來(lái)的值可選擇如圖3-2所示的推進(jìn)器。 圖3-2 螺旋槳推進(jìn)器 3.3收集裝置電動(dòng)機(jī)選擇 由分析，選用24V,100W電動(dòng)機(jī)，故電動(dòng)機(jī)型號(hào)為57BL55。 3.4蓄電池選擇 為滿足供電需求，選擇了叮東24V，1000W電瓶。 3.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 包括執(zhí)行元件和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制及信息處理部分發(fā)出的指令，把電氣輸入轉(zhuǎn)化為機(jī)械輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主功能。 3.5.1同步帶輪的選擇 帶、帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，能確保其傳動(dòng)比精確度高，這是由于帶、帶輪需依靠嚙合傳動(dòng)。它對(duì)于鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)來(lái)講，噪音小，且無(wú)需潤(rùn)滑油，還具有較長(zhǎng)壽命。該湖泊水面雜物收集機(jī)器人設(shè)計(jì)都采用同步帶傳動(dòng)，且傳動(dòng)比都為i=1，由前面可知電動(dòng)機(jī)的額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。 1）確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率 按工作機(jī)的性能及其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間來(lái)查表K—修正載荷系數(shù)表，取 式（3-6） 2）選定帶型和節(jié)距 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》圖2-37，選3M同步齒形帶，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，得其節(jié)距 3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表2-4，得，選小帶輪齒數(shù)為 式（3-7） 因?yàn)閭鲃?dòng)比為i=1，大小帶輪型號(hào)與尺寸完全相同 4）計(jì)算同步帶帶速 式（3-8） 5）初定中心距 中心距滿足 式（3-9） 取 6）確定帶長(zhǎng)以及帶齒數(shù) 式（3-10） 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表13-1-58，得， 7）計(jì)算實(shí)際軸間距 式（3-11） 8）求帶寬 式（3-12） 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-1-51，得,取 確定型號(hào)為30-3M-6 3.5.2軸的計(jì)算 輸出軸的功率P=100W n=50r\min 1）選擇軸的材料 該軸無(wú)特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼，查表知，6b=640mpa. 2）求輸出軸的功率，n 及扭矩T 若取機(jī)械效率則 式（3-13） 式（3-14） 3）初步估算最小軸徑 先初步估算軸的最小直徑，當(dāng)選取軸的材料為45鋼時(shí)，取c=110，于是得 式（3-15） 最小軸徑為10mm。 3.6雜物收集箱設(shè)計(jì) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的雜物收集箱為了快速節(jié)約材料同時(shí)方便更換設(shè)計(jì)成了如圖3-2所示樣式，并且還可以盡可能的增大可收集雜物體積。其材料采用工程塑料裁剪，不僅便于裁剪，還具有材料獲得方便、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的雜物收集箱經(jīng)過(guò)裁剪后，形成如圖3-3所示方孔樣式，可以在有效收集雜物的前提下使得水流不會(huì)被雜物收集箱所限制，從而降低所受到的阻力，以此來(lái)提高工作效率。雜物收集箱的總體尺寸為240mm*200mm*200mm。 圖3-3 雜物收集箱 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1控制方案選擇 控制方案比較：對(duì)于繼電器控制方案，在系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改造或者增加整個(gè)系統(tǒng)功能困難，而且相比于其他方案還有體積大、能級(jí)大、連線多等問(wèn)題。另外，繼電器的觸點(diǎn)數(shù)量是該方案的一個(gè)很大限制，這個(gè)限制會(huì)使得使得繼電器控制系統(tǒng)不具備很高可擴(kuò)展性，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的靈活性；盡管采用PLC會(huì)更加快捷方便，也會(huì)提高整個(gè)系統(tǒng)的成功率，相比于其他方案PLC方案的可靠性也較好，但選擇PLC會(huì)有較高的成本，這與我們?cè)O(shè)計(jì)要求中成本低不相符合；而采用單片機(jī)系統(tǒng)相比于其他兩者來(lái)說(shuō)不僅成本更低，而且效益更高，所以本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制。 整個(gè)控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的功能和性能要求以及各類傳感器反饋的信息，進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和決策，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)控制功能。該湖泊水面雜物收集機(jī)器人設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的硬件部分根據(jù)圖4-1系統(tǒng)框圖我們可知，主要有六大部分，他們分別是單片機(jī)控制器，光束遮斷式傳感器，圖像收集裝置，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，繼電器組成。 單片機(jī)控制器是一種微控制單元，是這個(gè)系統(tǒng)的控制核心；圖像收集裝置用來(lái)收集湖泊水面圖像；光束遮斷式傳感器檢測(cè)雜物收集裝置收否收集滿雜物；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)器；繼電器主要是控制直流電機(jī)的啟停。 圖4-1 系統(tǒng)框圖 4.2單片機(jī)的介紹及選型 4.2.1單片機(jī)的介紹 MCU，又稱單片機(jī)，它和中央處理器具有類似的功能，但單片機(jī)的功能又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如中央處理器，具體來(lái)說(shuō)將頻率和規(guī)格做恰當(dāng)降低就相當(dāng)于單片機(jī)，同時(shí)將DMA、memory、A／D轉(zhuǎn)換、LCD驅(qū)動(dòng)電路等部分或全部整合在一片單片機(jī)芯片上，方便于在非常多的事物中做不同要求的控制，完成預(yù)計(jì)的目的。 如智能手機(jī)、電腦外圍、電視遙控器，甚至智能較車、電機(jī)、機(jī)器人的控制等，都有用到單片機(jī)。 單片機(jī)的主要運(yùn)用范圍包括： （1） 測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)是用單片機(jī)作為控制中心與其他部件組合構(gòu)造各種控制系統(tǒng)以此來(lái)達(dá)到測(cè)量某些數(shù)據(jù)與控制某些動(dòng)作的目的，例如自適應(yīng)控制系統(tǒng)等。 （2） 智能民用產(chǎn)品。如在智能音響、智能玩具、掌上游戲機(jī)、智能廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中， 單片機(jī)控制器僅得這些我們?nèi)粘Ｉ钪械漠a(chǎn)品功能更加豐富，性能更加高效。 以上兩種種單片機(jī)的運(yùn)用范圍只是大概情況，其他地方也有很多的運(yùn)用。 4.2.2單片機(jī)的選型 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人機(jī)交互，方便控制、實(shí)時(shí)反饋湖面、雜物收集箱信息等要求為本湖泊水面雜物收集機(jī)器人的選擇的主控芯片型號(hào)為STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32系列耗能低，數(shù)據(jù)處理能力好，能夠滿足雙螺旋槳推進(jìn)器快速差速運(yùn)動(dòng)的需要，自帶的多路輸出PWM模塊便于螺旋機(jī)推進(jìn)器的控制。整個(gè)系統(tǒng)由電源管理模塊提供電力。STM32F103C8T6硬件連接圖如圖4-2所示。 圖4-2 STM32F103C8T6 4.3 檢測(cè)傳感部分設(shè)計(jì) 檢測(cè)傳感部分包括各種多種多樣的傳感器和信號(hào)處理電路，我們可以根據(jù)我們所要達(dá)到的控制要求，設(shè)計(jì)中央處理器提供控制目標(biāo)所需要多種信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)功能。 本設(shè)計(jì)主要包括圖像收集裝置和光束遮斷式傳感器。圖像收集裝置用來(lái)收集湖泊水面雜物的圖像信息，在整個(gè)系統(tǒng)中圖像收集裝置是為了完成識(shí)別雜物，快速定位雜物所在位置工作的裝置。光束遮斷式傳感器檢測(cè)雜物收集箱是否收集滿雜物，是湖泊水面雜物收集機(jī)器人判斷是否應(yīng)該返回傾倒地點(diǎn)的必要傳感器。 4.3.1圖像收集裝置選型 水面的情況是非常復(fù)雜的，在水面上不僅有各類雜物，還有各種各樣的障礙物。這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)的此款湖泊水面雜物收集機(jī)器人能有效的避開(kāi)障礙物。為了機(jī)器人能有效收集雜物，我們也需要為機(jī)器人設(shè)計(jì)快速、準(zhǔn)確尋到雜物的功能。機(jī)器人避開(kāi)障礙物，搜尋雜物從原理上來(lái)說(shuō)兩者可以合二為一。為此設(shè)計(jì)并安裝了如圖4-3所示的圖像收集裝置。 圖4-3 圖像收集裝置 4.3.2光束遮斷式傳感器選型 為了檢測(cè)雜物收集箱是否已經(jīng)裝滿雜物，該湖泊水面雜物收集機(jī)器人采用并安裝了PB-20TE光束遮斷式感應(yīng)器。PB-20TE光束遮斷式感應(yīng)器如圖4-4所示。 圖4-4 PB-20TE光束遮斷式感應(yīng)器 “光束遮斷式感應(yīng)器”(Photoelectric Beam?detector)的檢測(cè)方法利用了紅外線。因此這些對(duì)射經(jīng)由專家計(jì)算有效距離在600米內(nèi)。他包括了構(gòu)造包括球面鏡片、鏡片等。 根據(jù)分析，為了達(dá)成我們需要的預(yù)定計(jì)劃，我們需要為紅外對(duì)射探頭選擇恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間。 考慮到在本湖泊水面雜物收集機(jī)器人設(shè)計(jì)中光束遮斷式傳感器的主要作用是檢測(cè)雜物收集箱是否收集滿雜物，故可選擇較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。若雜物收集箱未滿遮光時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，因此響應(yīng)時(shí)間可以選擇1s。 4.4繼電器模塊設(shè)計(jì) 如圖4-5所示，本設(shè)計(jì)采用1路5V繼電器，繼電器的啟停通過(guò)單片機(jī)控制。在本設(shè)計(jì)中繼電器可以是控制直流電機(jī)的啟動(dòng)和停止。從前面我們已經(jīng)可以知道雜物收集裝置的驅(qū)動(dòng)力由直流電機(jī)提供，據(jù)此分析我們可以知道雜物收集裝置的啟停通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的啟停間接由單片機(jī)控制啟停。 圖4-5 4.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)控制螺旋槳推進(jìn)器，并能對(duì)一對(duì)螺旋槳推進(jìn)器進(jìn)行差速控制，從而能實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，因此選擇L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖4-6所示。 圖4-6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4.6程序設(shè)計(jì) 該湖泊水面雜物收集機(jī)器人軟件流程圖如圖4-7所示。 該設(shè)計(jì)的湖泊水面雜物收集機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)行后，第一步為螺旋槳推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人直行；第二步為圖像收集裝置收集湖面信息；第三步為機(jī)器人檢測(cè)是否有障礙物，若有則螺旋槳推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎避開(kāi)，然后返回第一步，若無(wú)則開(kāi)始第四步；第四步為機(jī)器人檢測(cè)是否有雜物，若有則機(jī)器人開(kāi)始第五步，若無(wú)則返回第一步；第五步為判斷雜物收集箱收否滿，若不滿則螺旋槳推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人收集雜物，收集完成后返回第一步，若滿則開(kāi)始第六步；第六步為螺旋槳推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人返回指定地點(diǎn)，然后電機(jī)及螺旋槳推進(jìn)器停轉(zhuǎn)，整個(gè)程序結(jié)束運(yùn)行。 圖4-7 軟件流程圖 結(jié)束語(yǔ) 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是我們大學(xué)生在整個(gè)大學(xué)生活中最重要的任務(wù)了，這次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是一次對(duì)于以往我們大學(xué)生涯學(xué)習(xí)的一次綜合檢驗(yàn)和考核，更可以說(shuō)是一次理論聯(lián)和實(shí)際相聯(lián)系的體驗(yàn)。這次體驗(yàn)對(duì)我來(lái)說(shuō)是一次不斷解決問(wèn)題并在解決問(wèn)題中不斷的發(fā)現(xiàn)不足并超越自我體現(xiàn)人生價(jià)值的過(guò)程?？鞓?lè)和痛苦兩者不可分離，盡管過(guò)程大部分都是艱辛的，但我也在艱辛得過(guò)程中體會(huì)到了認(rèn)真完成一份工作的快樂(lè)。 設(shè)計(jì)剛開(kāi)始的時(shí)候我們大家都是迷茫的，都不知道從哪里開(kāi)始著手，整個(gè)人都是迷迷糊糊，對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)沒(méi)有一個(gè)總的概念，無(wú)法建立完整的具體的對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)的思路和方案。每天都是在泡圖書館查書籍、上網(wǎng)找資料、和同學(xué)討論，但這些方法都收獲甚微，并沒(méi)有給予我靈光。在這時(shí)是李老師給予了我信心，他不斷激勵(lì)我、耐心得指導(dǎo)我。從這里開(kāi)始，我才開(kāi)始有信心完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。李老師給予了我一個(gè)好的開(kāi)始，讓我度過(guò)了前期最困難的時(shí)候，我才能緩緩的將畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行下去，這可能就是俗話說(shuō)的萬(wàn)事開(kāi)頭難。總體上而言我的設(shè)計(jì)進(jìn)行得很慢，中途還由于各種各樣的原因中途不斷的中斷畢業(yè)設(shè)計(jì)，但最終我還是完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。這可以歸功于我自己的努力，是我功夫不負(fù)有心人的表現(xiàn)，也歸功于李老師和同學(xué)們不斷得鼓勵(lì)和幫助。 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)是困難的，查閱資料形成自己的思路是不易的，但這些困難和不易更能全面檢驗(yàn)了我們過(guò)去我們所學(xué)。人的一生所擁有和將擁有的財(cái)富必然是有限的，而在這有限的財(cái)富中這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所讓我獲得的財(cái)富所占的比重更是非比尋常。 這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我的動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力和分析解決問(wèn)題的能力等各個(gè)方面都是一次全面而具體的鍛煉。整個(gè)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程對(duì)與我來(lái)說(shuō)，不僅讓我感覺(jué)到了知識(shí)的欠缺和經(jīng)驗(yàn)的不足，而且還讓我進(jìn)一步鞏固了專業(yè)。我將會(huì)在今后的工作與學(xué)習(xí)中，繼續(xù)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)所體會(huì)到的精神，更加努力。 畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)難度非常高的任務(wù)，但我非常感謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，這對(duì)我來(lái)說(shuō)是唯一的經(jīng)歷。同時(shí)我也感到有一些不足，這些不足在總結(jié)的過(guò)程中讓我有了更加深刻的體會(huì)和感悟。我會(huì)在今后的生活中不斷提高自己的能力，不斷完善自己所欠缺的綜合能力。 致 謝 正是因?yàn)橛幸蝗簝?yōu)秀且品德高尚的人在我身邊不計(jì)回報(bào)的鼓勵(lì)和幫助我，我才能圓滿且及時(shí)的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從心底里非常的感謝他們。 首先，在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我的指導(dǎo)老師李教授不僅對(duì)我的研究?jī)?nèi)容和研究方向進(jìn)行了專業(yè)的指導(dǎo)和論證，并且在我進(jìn)行課程設(shè)計(jì)遇到困難時(shí)，給予了我極大的幫助。 其次，也要感謝我的同學(xué)，他們也幫助我解決了很多難題。 李老師和我的同學(xué)是一群非常優(yōu)秀的人，在這里，我再一次感謝他們。 參考文獻(xiàn) [1]孫亞軍.小型水域垃圾清理機(jī)器人的研制[D].昆明理工大學(xué)，2018. [2]周飛.基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的湖面清潔機(jī)器人遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010:1-5. [3]高曉紅.一種小型水面垃圾清理裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].海南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019(03). [4]趙陽(yáng)，趙飛等.一種水面清潔機(jī)器人及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2019(32). [5]朱盛穎，郭旭玲，鄧彥松.一種渦旋式水面清潔機(jī)器人[J].兵工自動(dòng)化,2018(04) [6]譚淑梅.簡(jiǎn)析STM32單片機(jī)原理及硬件電路設(shè)計(jì)[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報(bào),2014,34(06):21-23. [7]張才勇，王庭有，李馳骎琴.基于單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速控制[J].化工自動(dòng)化及儀表,2019(11). [8]張婧，樊艷艷，李勇.基于STM32和TMC5160的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2020(02). [9]湯偉，劉思洋，高涵，陶倩.基于視覺(jué)的水面垃圾清理機(jī)器人目標(biāo)檢測(cè)算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程. 2019(03). [10]LIU Y, LIU S, WANG Z.A general framework for image fusion based on mult-istage transform and sparse representation[J].Information Fusion,2015,24:147-164. [11]LI H,CHAI Y,LI Z.Multi-focus image fusion based on nonsubsampled contourlet?transform and focused regions detection[J].Optik-Int. J.Light Electron Opt,2013,124(1):40-51. 附錄 1.湖泊水面雜物收集機(jī)器人雜物收集箱； 2.湖泊水面雜物收集機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖； 3.湖泊水面雜物收集機(jī)器人設(shè)計(jì)零件圖； 4.湖泊水面雜物收集機(jī)器人裝配圖； 5.單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件連接圖； 6.應(yīng)用程序軟件流程圖。 23