吸入式水面清理机器人设计

1、摘要为处理当下缺少高功效、高安全系数的捞取设备而给水表面杂物捞取带来的问题，设计一款水表面杂物清除人工智能模型。该模型融入无线操控、单片微控制器掌控、马达伺服掌控及脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)等掌控工艺，通过部件的选型及理论计算，得出具体产品构造。检测结果证明：该模型能达到人船分离、远程掌控的集中模式，可扩张式侧网增加捕捞面积，节约很多的人力和物力资源，切实处理水区杂物捞取难题。:设计一种新的的水面打扫人工智能。把指南针引入主动掌控体系,达到了螺旋前进转动,大大简化了运行流程。操作时只需用操控器设定它的旋转半径和前进方向,就可以主动地完成水表面打扫任务。由于采纳

2、了柔性舵,转向更灵敏,从而保证了它具有良好的机动性。经过检测取得了良好的效果。智能打扫人工智能集机械学、电子工艺、变送器工艺、计算机工艺、掌控工艺、人工智能等诸多科技为一体，不仅是一种环保、智能型的服务人工智能，还具有良好的应用前景和广泛的商业价值需要，近年来智能打扫人工智能的发展和应用受到国内外的广泛重视，其工艺越来越成熟，应用也越来越广泛。关键词：吸入式 清洁 人工智能abstractIn order to deal with the problem caused by the lack of high efficiency and high safety factor fishing e

3、quipment, an artificial intelligence model of water surface debris removal is designed. The model integrates wireless remote control, single chip microcontroller control, motor servo control and pulse width modulation (PWM) control technology. Through the selection of components and theoretical calc

4、ulation, the specific product structure is obtained. The test results show that the model can achieve the centralized mode of separation and remote control between man and ship, increase fishing area by expanding side net, save a lot of manpower and material resources, and effectively deal with the

5、problem of fishing debris in water area. Design a new artificial intelligence for surface cleaning. By introducing the compass into the active control system, the spiral forward rotation is achieved, which greatly simplifies the operation process. When operating, the water surface cleaning task can

6、be accomplished actively only by setting its rotation radius and forward direction with the remote controller. Because the flexible rudder is adopted, the steering is more sensitive, thus ensuring its good maneuverability. Good results have been achieved after testing. Intelligent cleaning artificia

7、l intelligence integrates mechanics, electronic technology, transducer technology, computer technology, control technology, artificial intelligence and many other technologies. It is not only a kind of environmental protection and intelligent service artificial intelligence, but also has good applic

8、ation prospects and extensive commercial value needs. In recent years, the development and application of intelligent cleaning artificial intelligence has received extensive attention at home and abroad. Its technology is more and more mature, and its application is more and more extensive.Key words

9、: inhaled clean artificial intelligence目录绪论41.1选题意义41.2打扫人工智能国内外发展状况51.2.1国内相关钻研情况51.2.2国外相关钻研情况62.作品内容简介72.1设计内容及目标73.水表面浮起物清除人工智能83.1水表面人工智能主要构造83.1.1动力驱动和传动系统93.1.2捞取系统93.1.3掌控体系103.1.4机器人流线型外形124.水面清理机器人控制系统的整体方案124.1硬件电路设计144.1.2微处理器1542太阳光215.体系语言程序总体构造235.1主掌控器模块语言程序设计235.2马达驱使与掌控指令序列设计246.操作

10、流程257.总结26致谢28参考文献29绪论1.1选题意义在现实日常中有许多水源,如河水、人工湖、浅水表面、海水浴场等,水表面上都浮起着塑料袋、泡沫、过量的水藻、树叶等很多杂物,严重影响着人们的健康日常和生态的美丽。现在已有的大型捞取船所占空间大、费用高,需要多人同时协同操作,而且不能进入小区域实施捞取操作。在很多小型区域水表面上依然是依靠人工捞取杂物,而人工捞取操作难度和劳动强度都很大。为了处理这一问题,我们设计制作了水面打扫人工智能。它具有费用低、所占空间小、运行灵活等优点,非常适合在小型区域进行捞取打扫作业,而且达到了主动化的掌控,运行人员只需利用操控器设定两个实际操作参数,水面打扫人工

11、智能就可以主动完成水面的打扫任务。水表面打扫人工智能是一种主要用于在近海或江河湖泊上集中水表面浮起物杂物的环保设备，同时又能够根据任务的要求，搭载测深仪、流速仪、GPS接收机、摄像头等，用于替代人工完成港口、航道、海滨、滩涂等水区的生态监测、水文通讯采集和水表面搜救等危险作业。当下，江河湖泊的水表面打扫操作以人工为主，缺乏高智能度、灵活性和机动性强的水表面打扫人工智能体系。因此，开发一种集掌控体系与上位机通信于一体的水表面打扫人工智能掌控体系具有深远的理论意义和应用价值1-2。随着工业的发展，人们在注重经济的同时忽略了生态污染问题，其中塑料污染尤为严重。“五水共治”后，虽然城市主要水路干道上的

12、杂物少了很多，但仍然存在塑料浮起物，对河内的生态影响巨大。在很多旅游景区，各色的塑料制品充斥着整个水表面，严重影响了观赏性，甚至破坏文物，对历史建筑影响也很大。对水中杂物的清除，我国还停留在人工清除阶段。比如在一些景区内，大多数都是人工用网兜集中，但是只能集中距离岸边几米的区域，并不能集中水区中心的区域，并且集中起来十分困难。而在城市的内河，人们开着船用捕捞网清除，耗时耗力。从当下的实际情况来看，我国亟需一些主动化水平较高、集中容易、运行不复杂的设备，以减轻人们的操作压力和提高操作功效。当下，国内现有的水表面杂物清除人工智能，主动化水平高，价格昂贵，还不能广泛应用。针对人工捞取的缺点，笔者设计

13、一种水表面杂物清除人工智能模型，采纳无线遥感掌控，主动化水平较高，能便捷快捷地主动完成集中动作，并且回收箱容量较大，构造不复杂，保护便捷，价格低廉，运行容易，非常实用，适用于很多城市内河、旅游景区等地点。1.2打扫人工智能国内外发展状况1.2.1国内相关钻研情况黑龙江八一农垦学校尧李慧、田雷与黑龙江省农业机械工程科学钻研院蔡晓华、侯云涛对牛舍打扫人工智能的构造与避障设计进行分析与钻研，并结合迂回式路径规划运算和靠墙或牛栏等障碍物的避障策略，达到打扫人工智能对牛舍的全方位清扫操作。中国计量学校的郑哲恩、孙坚、沈斌，利用工业相机拍摄粉尘，经过MALTAB处理之后对粉尘面积进行计算，并利用打扫人工智

14、能进行打扫，根据打扫功效计算得出打扫人工智能的打扫性能。解放军理工学校国防工程学院茅靳丰、朱国栋、张虎、宋威，根据风管人工智能视觉检测体系的构成，包括照明体系、摄像头、图形和影像采集卡、图形和影像采集语言程序以及图形和影像分析语言程序，利用Matlab的图形和影像处理功能对采集到的风管内部图形和影像进行预处理，并依据特定的运算对其打扫度进行评估。东南学校的陆晓敏，吴浩真，韩可炯，秦家晨设计了一种基于MSP430f149的智能打扫人工智能体系。人工智能依靠车体的风机设备吸附在玻璃上，可以主动完成路径规划、探测窗户的边角距离、主动打扫窗户。达到应用设计的人工智能来代替人进行高空作业，在高层建筑中对

15、外壁玻璃上的粉尘和其他污物进行打扫。东北林业学校的王振秋、薛建琪、张宇崴、狄海廷针对变直径杆件，设计一种爬杆打扫人工智能。模拟人的上肢和下肢，轮流夹紧杆体，在曲柄连杆机构的驱使下，达到人工智能的攀爬转动，在人工智能攀爬流程中达到主动打扫。广东工艺师范学院天河学院的陈朝大和广州航海学院的吕志胜针对红外避障检测和绝对定位的局限性，对智能寻迹的打扫人工智能进行钻研。人工智能采纳超声波变送器配合伺服马达构成主动避障体系，对室内未知生态进行探测，提出了多路径融合规划掌控运算，使人工智能能够完成自主全区域覆盖行走。由此可见，国内智能打扫人工智能钻研主要集中在对障碍物的躲避以及特别区域的打扫方面，钻研应用范

16、围主要包括高空打扫、管道打扫、牛舍打扫等，对更为复杂生态的打扫能力检测方面钻研较少，利用静态图形和影像进行分析和评估以及终端特别机械机构的设计是当下主要的工艺钻研方向。1.2.2国外相关钻研情况由新加坡国际和南洋理工学校掌控专家Elid开发的人工智能工艺体系Outobot，展示了一个能够打扫和油漆高层建筑外部的人工智能，声称提供一个更安全和更有效的替代人工打扫的方法，打扫水平达到了一个新的标准。韩国的Jin-HoSuh等人发明了一种更为高效的水下清洗人工智能研制平台，平台可用于研制和设计可满足应用在工业打扫操作领域中的水下清洗人工智能性能，所开发水下打扫人工智能的方法，可用于达到清洗不同类型的

17、工业水箱的功能。英国的并钻研人工智能末端执行器的主要构造，设计出符合体系要求的终端。英国的Konstantinova博士的打扫人工智能指尖工艺在玛丽女王的先进人工智能中心展示。其通过应用车载摄像机和激光来创建地图，扫描静态物体，而忽略了诸如人或宠物之类的“动态”物体，从而学习新的生态。通讯存储在人工智能的硬盘驱使器中，可以被编程来拾取特定的东西。斯里兰卡开放学校机械工程学院的H.G.T.Milinda等人钻研了地板打扫泥和脏污分离法的人工智能。提出了一种检测方法，应用摄像机图形和影像辨识在纹理表面上的各种污垢。这个运算的目的是去除图形和影像的规则部分，频谱残差滤波只留下污垢和一些噪声，提出一种

18、在地板上鉴定泥浆的新方式。并随着进一步的后处理，可以在图形和影像中对多种污垢进行定位。SumroengritJakkrit等人提出了基于amethodoflaser的浮起杂物表面检测人工智能，对事先未知位置的垃圾进行寻找。该方法基于激光折射和反射的原理，提出了基于激光工艺的浮起物检测方法。工JoshuaD.Langsfeld等人提出了一种方法来估计弹性变形物体的刚度特性，同时在人工智能清洗体系中进行处理。人工智能体系利用其当前的部件变形行为模型来规划抓取和清洗臂的动作，并试图通过在基本单元上应用少量抓取位置的计划来尽量减少整个清洗时间。采纳有限元方法对基本单元变形进行建模，提出了一种修正模型刚

19、度参数的通用更新运算，以适应在清洗流程中观测到的变形数据。这使得体系能够很快地找到正确的位置来掌握基本单元，以尽量减少变形。2.作品内容简介2.1设计内容及目标旅游景区、城市内河等狭长的静水水区由于缺少专业的水面杂物集中设备，使水面杂物的捞取困难重重。针对上述水区，笔者设计的水面杂物清除人工智能(如图1所示)融入了无线操控工艺，结合单片微控制器、马达伺服及PWM掌控工艺达到体系、可靠、精确地掌控。体系具有安全可靠、运行不复杂、集中彻底、功效高和捞取范围广等优势。作品总体效果如图1所示。作品具体特点如下：1)除水量大、行驶平稳、集中空间大。根据集中杂物具体功能的要求，在设计壳体时，综合考虑吃水量

20、，尽量将集中空间加大，使之具有转向迅速、行驶平稳、相同水区范围内除水量大等。2)改进的可扩张式集中过滤网。改进了壳体集中的过滤网，使之能根据操作量张开或收缩集中过滤网的大小。3)人船分离的集中模式。通过引入无线操控工艺，达到了人船分离的集中模式，消除了人工集中带来的潜在危险，还节约了很多的人力、物力和财力。3.水表面浮起物清除人工智能3.1水表面人工智能主要构造水表面浮起物主动清除人工智能，包括壳体及壳体的前后两侧分别设置的前阀门和后阀门，且壳体中设有screen mesh。壳体的内部为用于放置screen mesh的主舱室、壳体前舱、壳体后舱、片体内隙、船舱侧隙构成；前舱阀门的启闭型式为滑移

21、式，并且壳体前舱和壳体后舱通过船舱侧隙连接。壳体底部安装有斗状套筒，斗状套筒末端与水泵注水口相连；在水泵出水口安装electromagnetic valve，在壳体底部后侧对称安装两个水下推进器；且水下推进器上都设有推进器螺旋桨。壳体与人工智能上盖通过U型滑槽滑动连接，人工智能上盖前端设置有激光雷达变送器，壳体后舱内设置有掌控设备；且掌控设备为掌控在壳体底部的水泵操作，还掌控着水下推进器的转速，壳体前舱里安装超级电容量2。达到光能补充电量和内置电板储电的互换，通过无线电无线操控、自主掌控互换的方式达到清除杂物的智能化。3.1.1动力驱动和传动系统水面打扫人工智能操作时捞取操作与螺旋前进同时进行

22、,为了减少马达的数量,提高续航能力同时降低生产费用,壳体的动力驱使部分共用一个马达。传动体系由两条传动路线构成,其中一条传动路线是直流减速马达输出的转矩驱使圆锥齿轮,经过两对圆锥齿轮传动改变方向后驱使螺旋桨,推进壳体不断向前行驶;另一条传动路线是减速马达输出同时驱使主动小链轮,通过链传动驱使捞取机构的主动链轮。捞取机构的左右两捞取大链轮安装在同一根轴上,保证了左右两捞取链的同步转动。3.1.2捞取系统捞取体系达到的功能是将杂物从水表面捞进杂物筐,其构造如图5所示。该捞取机构有9排捞杆,犹如坦克的履带,捞取时像传送带一样不断的把杂物捞起。捞取机构采纳两条不锈钢链条,在链节上有固定板。左右固定板上

23、连接有铝板作为支撑板,支撑板上固定有多个捞杆,用于捞取大块泡沫、树枝等。在捞取机构的上表面,蒙有纱网,用于过滤水藻等细小浮起物。为了保证体系能够可靠的操作,进行了优化设计并采取了如下措施:捞取机构设计为折叠式,不用时可以折叠于壳体上方节省空间;捞取机构采纳弧状导向轨道,捞杆上套有剔片,剔片在随捞杆进行捞取转动的同时,还沿着弧状导向轨道所给定的方向不断上下转动,将缠绕在捞杆上的杂物向上剔除干净,防止塑料袋等缠绕在捞杆上,保证整个体系可以可靠操作(也可用流体或高压气体达到这一功能)。3.1.3掌控体系水面打扫人工智能的掌控体系由单片微控制器体系、加速检测电路、操控电路和电控器件等构成。与之相对应的

24、还有掌控体系的执行器,采纳多个参数不同的直流减速马达,用于驱使柔性舵转向和加速检测开关绕指南针中心轴线转动。指南针掌控器构造如图6所示,当水面打扫人工智能螺旋前进时,壳体转向但指南针的指向不变,加速检测变送器相对壳体固定,在某一确定位置时加速检测变送器能够检测到信号,就会将串联在马达两端的电阻短路,使马达加速,壳体瞬间加速完成螺旋前进转动(或是采纳PWM方式掌控马达,通过改变占空比使马达瞬间加速)。如图7示,指南针所指的方向不变,由于壳体在舵的转向功能下绕某一转向中心旋转,加速检测变送器随壳体一起转动。每当壳体运行到向右行驶时,加速检测变送器总能检测到指南针头部的遮光片,于是加速检测变送器输出

25、信号,掌控电控器件将电阻短路或提高马达掌控脉冲的占空比,使马达加速,进入下一个旋转流程。如此反复,就可以使水面打扫人工智能在旋转的同时还有一个螺旋前进的总方向。改变加速检测变送器与壳体的相对位置,就可以改变壳体螺旋前进的总方向,如图8所示。减速马达相对于壳体固定,当它转动时,转轴带动底板和加速检测变送器一起转动,但指南针和遮光板指向不变,这样就改变了加速检测变送器与壳体的相对位置,从而改变加速检测变送器检测到指南针输出加速信号的位置,即壳体处于加速时所面对的方向不同,其效果就是改变了壳体螺旋前进的主方向。转向舵也采纳操控掌控,用于设定其转弯螺旋半径,改变柔性舵的偏转方向可以改变壳体的螺旋半径值

26、得说明的是,水面打扫人工智能的舵采纳柔性舵,如图9所示。舵受到流体的反功能力与流体方向改变的水平有密切关系,柔性舵可以更明显的改变流体的流道,单位面积上可以获得更大的反功能力,使壳体转向半径更小,灵活性更高。3.1.4机器人流线型外形为了减少人工智能在水下时，由于水体对人工智能表面造成的阻力问题，提高水表面杂物清除人工智能在湖面、河水中的能动性。我们把该人工智能的外形构造为流线型外形，提出构思的想法和高速列车的车头构造大致相同，对于流体有顺流功能，以此来减少水中阻力对人工智能的能源消耗，同时也更加美观【3】。如图2所示，screen mesh的顶部为通过船舱侧隙表面上设置的screen mes

27、h扣固定，整体侧面都为流线型外型。4.水面清理机器人控制系统的整体方案通常来说,杂物在水表面上的分布是不均匀的,如图1所示。若是采纳直线式往复转动的轨迹捞取,由于杂物相对于水表面有一定的漂移,捞取效果不好,操纵人员需要根据杂物分布不均匀的情况不停地来回操纵,费时费力,且对器械损害较大。经分析发现,螺旋前进转动的轨迹是比较理想的,这种转动轨迹具有渐进性,只要设定旋转半径和螺旋渐进方向即可,简化了操纵流程,而且同一区域的水表面可以被打扫多次,打扫效果较好,如图2所示。设计要求人工智能能够主动完成螺旋前进转动,并且螺旋半径可以调节。仅改变转向舵的角度只能使壳体绕某一中心的旋转,并不能达到壳体沿某一方

28、向偏移前进。曾经过分析论证后,将指南针引入壳体的主动掌控体系中,运用了指南针指向不变的理论,在壳体转到某一确定位置时加速行驶,达到螺旋渐进转动,如图1所示，整套体系以实验室前期开发的水表面打扫人工智能为载体，由于水表面作业时要求稳定性高和负载能力大，将其设计成双壳体构造，同时搭载蓄电板和光能光伏板。体系共有三个操作马达，前方一个步进马达用于杂物的集中，后方左右两个直流马达用于驱使壳体转动。掌控体系接收上位机发送通讯并执行相关指令掌控三个马达操作，从而达到作业活动，同时将打扫人工智能的相关通讯进行整理，按照自定义的协议封装后，通过RS485串口发送到监控中心上位机，上位机还原数据包所需的数据结果

29、，并在由上位机语言程序编写的掌控界面上显示出水表面打扫人工智能的相关通讯.人工智能最上方安放光能电板板，作为供能体系；其正下方为人工智能舱体，分为集中舱、真空舱2个舱体。集中舱内含杂物过滤网、直流潜水泵；真空舱内含电瓶、主控板等，舱内整体密封，以一真空钢管引出舱内线路，保证与外部通信。舱体外部镶嵌2部水下推进器；体外壁上部有2个注水口，与注水口同一水平线以钢架固定着2个长方体浮台，掌控人工智能悬浮位置及保证其平衡性3。人工智能悬浮于水体中，其表面两侧的注水口中线与水平面重合。通过掌控潜水泵排流体量，使得舱体内水平面与外界水平面形成固定液位差，浮起杂物随流体一起通过注水口被吸入舱体内部的杂物过滤

30、网，水体通过过滤网后，由水泵吸收排除人工智能舱体外，达到杂物与水体分离，如此反复循环，直至杂物箱收满启动报警，再通过远程掌控让人工智能返回更换杂物箱。4.1硬件电路设计由水表面打扫人工智能掌控体系的需要分析可知，其掌控体系的硬件电路主要由马达掌控电路、漏水检测电路、外部看门狗、仿真下载模块电路，RS485接口电路和电源掌控电路构成。马达掌控电路主要用于对直流马达和步进马达的转动进行掌控。漏水检测电路用于保障人工智能的安全作业。掌控体系的硬件总体构造如图2所示3。上位机由一组44的矩阵键盘、NRF905通信模块和LCD1602显示屏构成。当在矩阵按键中输入相应的键值，经过单片微控制器的处理，将会

31、将信号传输给NRF905通信模块，由其将信号传递给下位机。位移变送器及角度变送器将信号传输至单片微控制器后，单片微控制器经过运算处理计算出壳体所在坐标，通过NRF905模块发送至上位机。电调、舵机、碳刷马达用于壳体驱使和转向，如图3所示。4.1.2微处理器微cpu是掌控体系的核心，决定着整个掌控体系的稳定性和可靠性。综合考虑体系对高速、低功耗和实时性的要求，故选用ATMEL公司的ATmega8535单片微控制器。A2.2直流马达驱使模块为了达到水表面打扫人工智能的前进、后退、转向等转动，需要掌控马达的速度和转动方向。永磁直流马达的调速主要有两种：马达电枢串联电阻或降低电源电势差。马达电枢串联电

32、阻的方法在低速时有容易不稳定，不能连续调速等缺点，而降低电源电势差，马达的机械特性不变，调速要平滑的多。由于在一个PWM连续两次出现所需时间里马达两端的电枢电势差经历了正反两次变化，其平均电势差可以用下式决定5：由图可见，它内部集成了4个DMOS管，构成一个标准的H型驱使桥。通过补充电量泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极掌控电势差。可在引脚1、11外接电容量形成第二个补充电量泵电路。引脚2、10接直流马达电枢，正转时电荷的定向移动的方向从引脚2到引脚10；反转时电荷的定向移动的方向应该从引脚10到引脚2。输出掌控信号引脚包括：转向掌控引脚3、使能掌控引脚4（低电平有效）、PWM输入引脚5。2.

33、3步进马达驱使模块步进马达是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。一方面，可以通过掌控脉冲个数来掌控角位移量，从而达到准确定位的目的；另一方面，又可以通过掌控脉冲频率来掌控马达转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进马达通常是采纳矩形波电荷的定向移动驱使，即步进马达的细分驱使。该细分工艺实际上是一种电子阻尼工艺，可以减弱或消除步进马达的低频振荡。细分驱使使实际步距角更小，可以提高定位精度，降低运转噪声，运行平稳7。如图4所示，步进驱使器共有三个信号端，分别为脉冲信号（PUL）、方向信号（DIR）和使能信号（ENA），将这三个信号端的正极分别与MCU模块的PB3、PB1和PB0相连，负极接地，

34、便可达到通流指令序列来掌控驱使器，终掌控步进马达的目的。4.2人工智能整体机械构造设计人工智能构造如图2所示在人工智能的机械构造设计流程中，需要保证人工智能抗水压性能强和能稳定悬浮于水表面且掌控水位差。笔者通过分析计算确定人工智能的机械构造、整体高度及质量等具体设计指标。为保证抗水压性能，笔者首先考虑2种模型：圆柱体舱体和长方体舱体。设薄膜应力在舱壁断面均匀分布，且沿切向功能于表面，对于承受外压的舱体，应力都是产生在舱体壁上。应力状态是3维的，包括3个基本力：径向应力r、轴向应力a、切向应力。其中，径向应力是压力直接功能于舱壁的结果，并产生等于压力的压应力，在薄壁容器中此应力远小于其他应力，故

35、可忽略。圆柱体和长方体舱体静载构造分析的结果如表1。据相关资料显示分析可以知道：圆柱体舱体承受静载强度明显大于长方体舱体，具有良好的抗压能力4，故选择圆柱体舱体，以不锈钢打造。然后考虑掌控水位差，据阿基米德物体浮沉定律，功能于水中物体上的浮力的大小大于物体所排开水的质量。此人工智能为圆柱体，底部和空腔都会受到水的压力，这种压力就是竖直向上的浮力，同时人工智能的四周也会受到水的压力，但圆柱体以圆心为中心，整个舱壁所受压力大小相等，方向相反，以微积分理论单位化拆分，相互抵消。掌控水位差的关键在于掌控水泵的除水量和速度，以及人工智能的吃水深度，在此以浮动平台辅助掌控。此人工智能正常操作时悬浮在水表面

36、，集中舱内本身有一定水位高度，且不停有流体流入，故舱内几乎充满水，提供的浮力可忽略，主要由真空舱和浮动平台提供浮力。根据参数计算：人工智能舱体、光能板支架、法兰盘及固定浮动平台和水下推动器的钢架质量共为8kg，光能板质量为2.5kg，备用电瓶质量为13kg，总计23.5kg，真空舱高度h为150mm，半径r为170mm，由浮排液可得，真空腔可承载约13.62kg，约9.88kg需以高分子聚乙烯制成的浮动平台提供浮力，把浮动平台固定于集中舱舱壁入水口两侧，提供浮力掌控吃水深度，同时保持人工智能的平衡，浮动平台每平方米可承载325kg，物体质量约7kg。通过x/9.88=7/325和实际测量结果，

37、笔者取2个约0.11kg的长方体固定于入水口两侧，为防止形成死角，再以弧形塑胶膜衔接入水口和长方体壁，由此在人工智能入水口处形成一个弧型范围，此方法能削弱该范围的水波干扰，同时也防止杂物“跑开”，减小了其不稳定因素，使得杂物顺利流入入水口，进入集中设备。2.2能源体系因需要清除的水区绝大部分处于户外且无遮挡物，故大多时候能接收到太阳光，在此，笔者采纳光合硅能光能电板板给12V，38ah蓄电板光能电瓶补充电量作为主要供能体系。把光能板以支架固定在人工智能舱体上方，接收太阳光，经室外测量，此30W单晶硅光能发电池光电转换功效约12%，稳定条件下高达18%，同时通过溶胶凝胶法高质量镀膜，保证高发电量

38、和长期稳定性，转换的电荷的定向移动通过稳压电路整流滤波存储于电瓶，若遇持续阴雨天，电瓶亦可人工补充电量；因此，该人工智能续航能力极强，可全天持续操作于水区，无光照大约连续操作4.5h，可有效利用资源。动力体系此人工智能以2个12V，功率90W的水下推进器作为动力体系，推进器以O圈密封，在水中最大转速n可达2200r/min。推进器构造如图3所示杂物集中体系杂物集中构造的设计利用了物理学及流体学理论，集中理论构造如图4所示在集中舱底部放置潜水泵，电控器件连接水泵，结合操控通信工艺，以主控板Arduino掌控电控器件达到远程掌控水泵开关，水泵有向上除水和向下除水2种操作方式，水泵正上方放置3D打印

39、的过滤网，此过滤网利用光固化和纸层叠等方式快速成型，打印精度和集成度较高。当人工智能悬浮于水表面操作时，在浮动平台辅助下，外界水表面正好掌控于入水口中线，此时启动水泵开关，采纳向下除水方式，设置好除水量以形成水位差，产生涡流并利用流水粘滞力将水和浮起的杂物一起卷入杂物过滤网中，经冲力及过滤，水由除水管排出，而杂物留在过滤网桶内，由此循环往复直至杂物积满。当杂物桶积满回到出发点后，操控掌控水泵向上吸水，可瞬间抽干集中舱内的水，随即集中舱提供巨大浮力，人工智能浮出水表面，便捷人工取杂物。如图3，壳体的主舱室、壳体前舱、壳体后舱中都放置了很多screen mesh18进行水体中杂物的过滤，当壳体底部

40、的水泵6操作，在水表面产生一个水势差，流体通过前后注水口进入主舱室22，此时船舱中的水被水泵从壳体抽出，水体中的杂物在screen mesh18过滤下留在screen mesh中，从而达到了水中杂物的集中。该设备过滤是利用可调节的screen mesh孔大小，把浮起物和水体分离的工艺。三面壳体的两侧偏上方孔径略大于底面孑L径，流体通过screen mesh时因流量差在舱体中出现小型漩涡，可加速水从水泵中抽出，底面screen mesh孑L可调为超小，水体流过screen mesh，水中浮起物因大于screen mesh孔径而被吸附在船舱中，并且不会危及到水中微生物。同时可根据需要集中浮起物的不

41、同大小，进行screen mesh孔径的调节41。人工智能在结束浮起物清除操作后，由于该人工智能采纳的光能板顶盖和人工智能主仓室的拼接构造，只需将光能顶盖拆下便可对贮藏室内进行清除。与此同时还可以对主仓室内过过滤网进行更换或者清洗，从而使得过过滤网内部也能得到全面清除，使得该器械能通过更换过过滤网从而适合不同污染水平的水区，达到不同层次的清除效果圈。42太阳光电池设备众所周知光能补充电量器因其打扫、便利等特点越来越广泛地运用到各种仪器上。在睡眠浮起物主动清洗的人工智能上安装一层光能集中板可以节约一定的能源，达到一定量的能源自供给MI。而太阳板的安装的主要目的不仅仅在于能一定水平上地节约能源，在

42、某些特别条件下，一旦人工智能在水中能量耗尽无法取回，光能电板板则在这时起到了良好的能源集中功能，通过利用光能能力达到对电容量的补充电量，从而免去了捞取等不必要的操作。而光能电板板作为光能补充电量器中最为关键的部分，其设计也因此尤为重要。当下商业价值上价格适中，且光电转化功效相对较高的因数晶硅光能电板板，其补充电量功效可以达到20以上。为了能尽可能多地提高人工智能能源自给能力，模块式的晶硅光能电板板则是作为光能板设计的不二之选，通过模块式的拼接可以最大水平上利用人工智能表面的面积，对人工智能上表面进行几乎全面化的光能板包裹，从而充分提高光能集中板的能源供给能力【7】。具体构造如图4所示。23备用

43、能源超级电容量设备壳体前舱9里安装超级电容量，在体系中作为能量存储设备。在光能供电缺点时向负载供电，在光能供电富余时吸收、存储多余的能量。超级电容量是通过补充电量、放电的环节从而达到电能的储存和供给。以前的电容量不可避免地会有着容量较小、储存电能的能力弱等问题，所以不能作为电力能源的储存容器。但近年来由于对电容量方面进一步的深入钻研，部分电容量也逐步克服了以上问题，因此便催生出了“超级电容量”。超级电容量的迅速发展使得其迅速在能源储备中占据一席之地。超级电容量这种新的的储能设备，其容量达到上千法拉。并且其可多次重复补充电量且区别于传统蓄电板具有一定污染，超级电板绿色环保。但超级电容量其归根结底

44、还是电容量，经长时间的操作，不可避免地也会出现漏电的现象，且由于电容量的电气特性，其只适用于直流储能并不适用于交流储能。因此该水表面浮起物主动清除人工智能的操作电荷的定向移动为直流电。超级电容量的装配可以将超级电容量的优点充分体现在人工智能身上，不仅如此，通过日常的检测以及定期的保养，超级电容量的漏电等不稳定现象发生的几率也会大大地减少181。作为滤波器，对光伏电板输出的不稳定的电能进行滤波，输出稳定的电能；与光伏阵列及单向DCDC相配合，达到MPP，11(最大功率点跟踪)91。水面杂物清除人工智能的上盖2l的侧夹层2和后夹层19用于设置电荷的定向移动整流滤波等电路。具体构造如图4所示。24e

45、lectromagnetic valve检测设备经过滤的水储存在壳体后舱中，当储存到一定量时，产生的水压通过感应设备使得水泵6产生转动，水泵6转动抽取后舱中的水，通过注水口的阀门开口大小的调节，对流量进行一个闭环掌控，从而使体系在不同负重下维持在一个平衡状态。水中的杂物在screen mesh过滤下留在screen mesh中，从而达到了水中杂物的集中，过滤后的水被水泵从水底抽出。在水泵出水口设置有electromagnetic valve7(10l，掌控出水口的开启和闭合，在水泵停止操作时候关闭，防止流体倒灌进入主舱室。推进器螺旋桨4和水下推进器主体5为壳体提供前进推动力，同时掌控设备的方向

46、】。25人工智能水表面深度掌控该人工智能通过集中水表面浮起物达到净化河水的目的，当然，随着集中量的增加同时也会使得人工智能自身重力增大。如果在没有足够浮力支撑的情况下，人工智能则会因自身质量的增加而下沉。而PID掌控器作为一种线性掌控设备【12】，它会根据预先设定好的给定值(深度)以及所处生态的实际值构成的掌控偏差，对偏差进行计算从而转化为掌控信号给予相应的掌控器。通过对注水口的阀门开口大小进行调节，对通过除水阀的流量进行闭环掌控，从而使得该人工智能在水表面以上的高度维持恒定，保证了人工智能在集中浮起物时的操作生态【13】。5.体系语言程序总体构造考虑到体系的可移植性以及今后的保护和扩充，体系

47、语言程序采纳C语言编写，并采纳全模块化的设计思想8。3.1掌控体系指令序列的总体方案根据体系的功能需要分析和硬件模块的设计结果，水表面打扫人工智能掌控体系对语言程序指令序列的需要主要是主控器模块指令序列和其他子指令序列构成。其总体构造如图5所示。主要由以下几部分构成：主指令序列、内部初始化指令序列、UART串口通讯指令序列、直流马达掌控指令序列、漏水检测中断指令序列等。 5.1主掌控器模块语言程序设计水表面打扫人工智能体系的主指令序列如图6所示，主控器通过通上电源并开机操作后，体系进行参数的初始化，分配端口地址，读取两个漏水检测信号，随后将根据上位机发送的指令，执行马达驱使模块子指令序列，改变

48、马达的转速和方向，掌控马达前进，后退和转动，使水表面打扫人工智能进入操作状态。5.2马达驱使与掌控指令序列设计水表面打扫人工智能的转动可由5个转动掌控模块来达到：前进forwardMC；后退backwardMC；左转left-turnMC；右转right-turnMC；停止stopMC。而这5个转动模式可通过掌控左右两个马达的转动来达到。监控中心对水表面打扫人工智能转动的掌控，实际是对单片微控制器的掌控。要达到监控中心与单片微控制器进行稳定的通讯，必须进行通讯协议的设置。同时，基于此通讯协议，在监控中心和单片微控制器的指令序列中必须进行相应的编程，以终达到上、下位机的通讯。为保证单片微控制器正

49、确执行监控中心发送的指令，避免体系出现误动作，在通讯协议应设置开始位和结束位。各字符的定义如表1所示。6.操作流程当水表面浮起物主动清除人工智能操作时，由设置在壳体后舱14内的掌控设备掌控，壳体底部的水泵6I作，在水表面产生一个水势差，流体通过前后注水口进入主舱室22，可通过水泵转速和注水口的阀门开口大小的调节，对流量进行一个闭环掌控，从而使体系在不同负重下维持在一个平衡状态。水中的杂物在screen mesh18过滤下留在screen mesh中，从而达到了水中杂物的集中，过滤后的水被水泵6从水底抽出。在水泵出水口设置有electromagnetic valve7，掌控出水口的开启和闭合，在

50、水泵停止操作时候关闭，防止流体倒灌进入主舱室。水面杂物清除人工智能通过盖子21顶部和侧面安装的光能电板板13产生电能，为马达和水泵的操作提供可靠动力。船底对称安装的两个水下推进器4【，为人工智能在水表面的航行提供动力，并且可通过二者的转速差来调整小船的姿态，方向。壳体前舱9里安装超级电容量，在体系中作为能量存储设备，在光能供电缺点时向负载供电，在光能供电富余时吸收、存储多余的能量。并且人工智能采纳了激光雷达避障的方法，当人工智能前方出现障碍物时，能准确、灵敏地监测到并做出相应的反应。具体功能达到设备如图6所示。杂物集中流程：首先，运行人员通过操控器发出信号，打开前面的集中过滤网，壳体行驶至杂物

51、旁边，使壳体水区前面的杂物在集中过滤网范围内；接着，运行人员观察集中到一定量杂物后，发出集中杂物信号，通过舵机的驱使使侧网收回；然后通过大扭矩舵机带动连杆使过滤网向上抬升，同时壳体靠拢，直到过滤网至壳体上方，此时过滤网翻转将杂物回收到杂物储存仓内，当到达延时时间时，过滤网和连杆回到操作预备状态；最后，当观察到杂物仓装满后，运行返航到指定杂物回收场地回收杂物。如此便完成了整个杂物集中流程。应用时,把水面打扫人工智能放入需要打扫的水表面上,打开电源。调整柔性舵改变壳体的螺旋半径,使它适合浮起物的分布宽度;随后调整加速检测开关相对与壳体的位置,改变加速行驶的方向,使螺旋前进主方向与水表面浮起物的分布

52、长度方向一致,从而主动完成水面打扫操作。经过测试，该体系可以达到主动清除水表面杂物和定点清除水表面杂物两种功能。水表面主动打扫人工智能放入水表面后，通过舵机掌控壳体转动方向，步进马达通过给定角度的转向用杠杆将杂物从人工智能前面捞取至人工智能后面的杂物筐里。当上位机给出具体坐标时，壳体可到达相应地点进行清除。由于壳体本身动力和所占空间有限，经过测试，最多可承载10kg的杂物。7.总结本文分别从硬件和语言程序两方面分析了水表面打扫人工智能掌控体系的设计，提出了一种基于上位机和单片微控制器结合的掌控方案，使得整个水表面打扫人工智能掌控体系具有响应速度快、功耗低、实时性强的特点，提高了体系的稳定性和可

53、靠性。水表面打扫人工智能能较好的在上位机的掌控下达到水表面打扫作业活动，达到了较好的掌控效果。该吸入式水表面打扫人工智能克服了以往捞取船外形庞大、费用高、操作区域受限的缺点，适用于小型水区杂物捞取，符合“绿色环保”“资源利用”“可持续发展”的理念，具有操作功效高、构造不复杂灵巧、适用面广等优点。随着我国经济、工业的进一步发展，保护生态成了不可忽视的问题。该人工智能的产量化生产及应用，也将对我国水区清除起到重要意义。国内对于河面、湖面等大面积封闭形水区的杂物清除，大多数还停留在以船舶为基础的人为捞取。这些捞取船的所占空间较大，对于特定小角落无法进行清除。以内燃机为能源，费用较高，并且通过人工驱使

54、船舶，具有一定的危险性。此类船舶捞取主要清除大形浮起物(如浮萍、藻类)。本文设备主要针对船舶无法捞取的小型浮起物，以screen mesh的操作理论进行对水体表面杂物的“二次进化”，。达到清除杂物的智能化，减少人工的参与，尽量避免工人在船外捞漂的危险，极大地提高安全系数，也不会危及到水中微生物，以光能为主要新能源进行节能。该设备设置可应用于环保部门和景区管理部门。能在全国各景区、湖泊、海港等水区完成杂物清除，对能量节约和生态保护作出巨大贡献旧。所以该设备拥有良好的经济和社会效益。致谢本论文是在我的老师某某教授的耐心指导下完成的。某某老师知识广博、内涵深远、教导严谨、严格要求和和蔼亲切，不仅只是

55、我学生道路的指路人，也成为了我人生的向导。他在这短短的时间里，让我把学到的运用到实践中和自主思考的习惯，对我未来的学习和操作路上产生了很大的影响。在此谨向某某老师表示最真诚的谢意和尊敬。其次，感谢学校里的老师和同学，在学习中他们帮了我很多，在日常中，同学和老师一直关心我和帮助我，他们的陪伴见证的我的成长。还要感谢我的亲人，他们总是的支持着我的学习，激励着我不断努力，没有他们就没有我的今天。我会不辜负父母的期望，在以后的学习、操作和日常中努力做到最佳。最后，感谢为我答辩和评审的各位专家和评委，感谢你们对我提出的宝贵的建议和意见，感谢你们的批评和指正。谢谢！参考文献1茅靳丰，朱国栋，张虎，宋威.风

56、管清扫人工智能智能打扫度评估体系的钻研J.建筑热能通风空调，2015,(1):37-41.2陆晓敏，吴浩真，韩可炯，秦家晨.高空打扫人工智能的设计与达到J.电子测试,2017,(8):17-18.3陈朝大,吕志胜.基于智能寻迹的打扫人工智能掌控体系J.机床与液压,2015,(11):91-94.4尧李慧、田雷、蔡晓华、侯云涛.牛舍打扫人工智能构造设计与避障设计J.农机化钻研,2018,(2):70-79.5苏进，陈晓.打扫人工智能掌控方法的专利工艺综述J.科学家,2017,(10):4,11.6郑哲恩，孙坚，沈斌.打扫人工智能打扫性能检测方法的钻研J.科学与探讨,2016,(5):367.7王

57、振秋，薛建琪，张宇崴，狄海廷.新的爬杆打扫人工智能的设计与仿真J.科技创新与应用,2017,(19):15-16.8H.G.T.Milinda,B.G.D.A.Madhusanka.MudandDirtSeparationMethodforFloorCleaningRobotJ.3rdInternationalMultidisciplinaryEngineering,2017,316-320.9SumroengritJakkrit;RuangpayoongsakNiramon.EconomicFloatingWasteDetectionforSurfaceCleaningRobotsJ.MAT

58、ECWebofConferences,2017,(95):8001.10MarkCutkosky.ROBOTICGRIPPERCOULDCLEANUPSPACEDEBRISJ.MechanicalEngineering,2017,(10):24.11JoshuaD.Langsfeld;AriyanM.Kabir;KrishnanandN.Kaipa;SatyandraK.Gupta.IntegrationofPlanningandDeformationModelEstimationforRoboticCleaningofElastically-DeformableObjectsJ.IEEERobotics