湖泊水面雜物收集機器人-打撈河面垃圾(含CAD圖紙)
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畢 業(yè) 設 計(論 文)開 題 報 告
1.結合畢業(yè)設計(論文)課題情況,根據(jù)所查閱的文獻資料,每人撰寫不少于1000字的文獻綜述:
近年來,人們在重視其經(jīng)濟效益的同時卻往往忽略了他們對環(huán)境的污染,譬如在水面上飄浮著的各種垃圾。用人工清理水面漂浮物只是權益之計,有些危險水域人無法工作。需要通過機器人代替清理,既減少了危險,又可以提高工作效率[1]。
在國外水面清潔船在發(fā)達國家起步比較早,目前己經(jīng)擁有多個不同的型號,技術相對比較成熟。美國聯(lián)合國際船舶公司(UMI)研制了TrashCat系列清潔船[2]。該系列清潔船配置了兩個螺旋槳進行推進,采用了雙體船型,它的主要功能是清理水面垃圾。該型號的清潔船己使用20多年,技術相對比較成熟。通過對國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的描述,可以看到:國外由于起步早,技術相對成熟,功能也較為全面,自動化程度比較高,除具備常規(guī)的清潔水域功能外,還具備水質監(jiān)測、消防、導航定位等特點,而且只需很少的工作人員就可以完成清潔工作。西班牙Beach-Trollers公司研制出的SOLID系列清潔船,主要用來打撈水面漂浮和懸浮的固體垃圾。該系列清潔船的主要特點是采用了網(wǎng)兜的打撈方式,小巧并且靈活快速。相比于國外,我國清潔船的研制起步較晚,但是也有自己的一些優(yōu)勢。我國清潔船的特點是起點高、成本低、發(fā)展快,同時向智能化方向發(fā)展。大型水域水面垃圾清理裝置比較多,水面清潔船相對比較成熟,功能也較為全面。但是針對小型水域仍然存在以下問題:一由于水面清潔船體積大,難以在小型水域正常工作。二現(xiàn)有的水面清潔船多使用柴油機,對空氣有一定的污染,對附近居民的生活健康也會造成一定的影響。三現(xiàn)有的水面清潔船比較笨重,噪音大,還需要配備操作人員在船上工作,也存在一定的安全問題。四對小型水域的清理而言,清潔船的成本較高。綜上可知,目前對小型水域的清理主要采用人工清理,市場上的清潔船主要針對大型水域。本課題設計的湖泊水面雜物收集機器人可以減輕水域的環(huán)境污染問題,減少人力成本,具有良好的產(chǎn)業(yè)化應用前景[3]。
綜上所述,為了有效解決小型水域漂浮雜物的清理問題,研制一種低成本并且能夠進行雜物收集的水面清潔機器人具有十分重要的意義[4],[5]。本文設計的湖泊水面雜物收集機器人,基于STM32單片機控制[6],[7],[8],以用視覺傳感器[9],[10],[11]、光束遮斷式傳感器作為檢測元件,通過螺旋槳推進,從而收集水面雜物,其具有體積小、動作靈活和清潔效率高的特點,對于小區(qū)域的打撈效果極佳。它可以減輕水域的環(huán)境污染問題,減少人力成本,具有良好的產(chǎn)業(yè)化應用前景。目前對小型水域的清理主要采用人工清理,市場上的清潔船主要針對大型水域,本課題的研究可以彌補市場上產(chǎn)品的空缺,具有十分重要的意義。
參考文獻
[1]孫亞軍.小型水域垃圾清理機器人的研制[D].昆明理工大學,2018.
[2]周飛.基于移動通信網(wǎng)絡的湖面清潔機器人遙操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].國防科學技術大學,2010:1-5
[3]高曉紅.一種小型水面垃圾清理裝置的研究與設計[J].海南大學學報(自然科學版),2019(03).
[4]趙陽,趙飛等.一種水面清潔機器人及其系統(tǒng)設計[J].科技風,2019(32).
[5]朱盛穎,郭旭玲,鄧彥松.一種渦旋式水面清潔機器人[J].兵工自動化,2018(04)
[6]譚淑梅.簡析STM32單片機原理及硬件電路設計[J].大慶師范學院學報,2014,34(06):21-23
[7]張才勇,王庭有,李馳骎琴.基于單片機的直流電機調速控制[J].化工自動化及儀表,2019(11).
[8]張婧,樊艷艷,李勇.基于STM32和TMC5160的步進電機控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2020(02).
[9]湯偉,劉思洋,高涵,陶倩.基于視覺的水面垃圾清理機器人目標檢測算法[J].科學技術與工程. 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 contourlettransform and focused regions detection[J].Optik-Int. J.Light Electron Opt,2013,124(1):40-51.
畢 業(yè) 設 計(論 文)開 題 報 告
2.本課題要研究的內(nèi)容、解決的問題和擬采用的研究手段(途徑)等:
1.主要設計內(nèi)容
機器人采用左右雙船體結構,以蓄電池供電,驅動直流電動機。螺旋槳驅動船的前進與轉向。通過帶傳動驅動打撈傳送帶,打撈傳送帶把雜物從水面運到雜物儲存?zhèn)},雜物儲存?zhèn)}裝滿了后,機器人自動返回指定地點人工傾倒雜物,從而完成雜物的收集。機器人通過圖傳系統(tǒng)采集遠距離水面雜物及障礙物影像,用基于STM32單片機的控制系統(tǒng)進行方向、速度的控制。
2.解決的主要問題
2.1掌握如何將單片機等所學知識應用到實踐中;
2.2掌握應用C語言、單片機等工具進行實踐開發(fā)、調試的能力;
2.3熟悉掌握C語言等軟件的應用,掌握利用OFFICE等辦公軟件、繪圖軟件撰寫文檔的能力軟件,了解軟件的基本用法,并能進行仿真,完成開題報告。
3.課題的設計方案
3.1系統(tǒng)功能
該系統(tǒng)通過單片機控制完成機器人對于雜物的收集,主要分為兩個過程:識別雜物以及收集雜物和傾倒雜物。并實現(xiàn)對于障礙物的規(guī)避。
識別雜物及規(guī)避障礙物:通過視覺傳感器識別雜物及障礙物,通過單片機對機器人進行控制,從而規(guī)避障礙物及向雜物前進。
收集雜物:識別雜物后,通過收集裝置對雜物進行收集。
傾倒雜物:通過光束遮斷式傳感器判斷雜物儲存?zhèn)}是否已滿,儲存?zhèn)}收集滿后返回指定地點,由人工進行對雜物的傾倒。
3.2系統(tǒng)框圖
圖1.系統(tǒng)框圖
3.3機械結構
整個機器人采用雙船體結構便于安裝傳感器、電動機、螺旋槳、蓄電池等部件,機器人通過安裝有倒鉤的傳送帶收集雜物并將雜物輸送至雜物儲存?zhèn)}。機器人的船體兩端安裝有導水葉輪,防止雜物漂出雜物收集區(qū)。鑒于傳輸裝置的特點,在船體中部后方的位置設計一個雜物儲存?zhèn)},用來暫時存放雜物,同時雜物儲存?zhèn)}采取網(wǎng)格狀結構設計,便于雜物收集過程中水的漏出,以減少機器人在行駛過程中的阻力及增加對于雜物的收集體積。
3.4驅動方案
考慮到機器人體積小,工作在復雜環(huán)境下無法用交流電,需要用蓄電池供電所以采用微型的直流伺服電機。機器人推力由螺旋槳提供。
3.5傳動方案 傳動機構是同步帶傳動。
3.6控制器選用
對直流電機的轉速進行控制,達到控制機器人前進、轉向的目的。通過經(jīng)濟性、可靠性等方面來考慮,這里選擇單片機作為系統(tǒng)的控制器。通過單片機發(fā)出信號,直流電機接收信號并開始轉動,從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的完成。
3.7傳感器選用
為了識別雜物及規(guī)避障礙物,這里選用視覺傳感器進行檢測。視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量,以像素數(shù)量表示。
為了檢測雜物儲存?zhèn)}是否已滿,如果雜物已滿則返回指定地點,選用光束遮斷式傳感器,其偵測原理乃是利用紅外線經(jīng)LED紅外光發(fā)射二極體,再經(jīng)光學鏡做聚焦處理使光線傳至很遠距離,由受光器接受。當光線被遮斷時就會發(fā)出警報。
4.課題研究計劃與寫作提綱
4.1計劃進度
2019年12月28日-2020年1月10日:搜集資料,熟悉課題要完成的內(nèi)容,完成開題報告及外文翻譯的初稿;
2020年1月11日-2020年2月29日:完成并提交開題報告、外文參考資料及譯文的定稿;
2020年3月1日-2020年3月25日:進一步完善前期的各項材料,完成畢業(yè)設計的機械部分設計及主要零部件的CAD圖繪制;
2020年3月26日-2020年4月10日:迎接畢業(yè)設計中期檢查;
2020年4月11日-2020年4月25日:設計傳感檢測部分及控制部分,完成系統(tǒng)的軟硬件設計,并完成畢業(yè)論文的初稿;
2020年4月26日-2020年5月10日:進行畢業(yè)論文查重,根據(jù)要求完成論文定稿,準備畢業(yè)論文答辯。
4.2寫作提綱
第一章緒論:主要介紹課題的背景和意義,闡述湖泊水面雜物收集機器人的發(fā)展史、中外的差距及發(fā)展趨勢,為解決雜物收集,提出一種基于單片機的控制方案。
第二章總體方案設計:整體性地闡述整個系統(tǒng)的工作原理及其功能和特點,并設計系統(tǒng)的總體方案框圖。
第三章機械系統(tǒng)設計:主要針對系統(tǒng)的機械部分進行了設計,并畫出機械結構圖。
第四章控制系統(tǒng)設計:對視覺傳感器、單片機進行選型,設計出程序流程圖和控制程序,并畫出電氣原理圖。
結束語:對整篇關于基于單片機的湖泊水面雜物收集機器人進行總結。
致謝:對論文撰寫過程中,給予幫助的老師、同學、朋友等表示謝意。
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