喜歡這套資料就充值下載吧。。。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。。。下載后都有，，請放心下載，，文件全都包含在內(nèi)，，【有疑問咨詢QQ:1064457796 或 1304139763】 =============================================喜歡這套資料就充值下載吧。。。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。。。下載后都有，，請放心下載，，文件全都包含在內(nèi)，，【有疑問咨詢QQ:1064457796 或 1304139763】 ============================================= 摘 要 在現(xiàn)代生活中，水面雜物的清理，特別是小型水域漂浮雜物的清理是一個亟待解決的環(huán)境問題。因此研究一種在湖泊等水域水面進行雜物收集的機器人對于我們美化環(huán)境，清潔水面具有十分重要的意義。本文設(shè)計了一種湖泊水面雜物收集機器人，該機器人采用左右雙船體結(jié)構(gòu)，以蓄電池為整個系統(tǒng)提供動力來源，螺旋槳推進器為船的前進與轉(zhuǎn)向提供推進力。通過帶傳動驅(qū)動打撈傳送帶，打撈傳送帶把雜物從水面運到雜物收集箱，雜物收集箱裝滿了后，機器人返回指定地點人工傾倒雜物，從而完成雜物的收集。機器人通過雜物收集裝置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。該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，將人力解放出來。目前針對小型水域水面雜物收集的發(fā)展前景是用機器人取替人工的收集水面雜物。 關(guān)鍵詞:自動化；智能化；傳感器；雜物收集 Abstract In modern life, the cleaning of sundries on the water surface, especially the cleaning of floating sundries in small water areas. 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國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.3主要設(shè)計內(nèi)容 3 第二章 總體方案設(shè)計 5 第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計 7 3.1機械本體設(shè)計 7 3.2動力驅(qū)動部分設(shè)計 8 3.3收集裝置電動機選擇 10 3.4蓄電池選擇 10 3.5執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計 10 3.5.1同步帶輪的選擇 10 3.5.2軸的計算 11 3.6雜物收集箱設(shè)計 12 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計 13 4.1控制方案選擇 13 4.2單片機的介紹及選型 14 4.2.1單片機的介紹 14 4.2.2單片機的選型 14 4.3 檢測傳感部分設(shè)計 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 17 4.5電機驅(qū)動模塊設(shè)計 17 4.6程序設(shè)計 17 結(jié)束語 19 致 謝 20 參考文獻 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，雖然我們國家越來越重視對于環(huán)境的保護，但是環(huán)境污染問題特別是水域污染問題依舊嚴(yán)重，這是因為人們在重視其經(jīng)濟發(fā)展的同時卻往往會忽略對環(huán)境的保護，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、魚類以及藻類等生物，更是會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，大量的雜物堆積會堵塞航道，不利于船只的通行。如果雜物堆積在水庫等重要水域，不僅會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，輕者造成大量財產(chǎn)損失，更有甚至?xí)：Φ饺嗣袢罕姷娜松戆踩Ｒ虼?，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)境和促進社會可持續(xù)、高效發(fā)展的重要內(nèi)容之一。 根據(jù)查閱資料可知，針對大型水域水面雜物收集的機械收集方式和針對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。垃圾清理船是針對大型水域水面雜物收集的機械收集方式之一。因為大型水域水面雜物一般量大且集中，垃圾清理船一次性清理量大的特點正好針對該類水域的雜物堆積特點，這就能很好的提高大型水域水面雜物收集的效率。但是對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，無法對雜物進行有效的收集。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、物力和財力高，還存在很大安全隱患。目前，人工收集的方式主要針對湖泊、小河等小型水域水面漂浮雜物。但是市場上的水面垃圾清理船造價高昂、制造困難、操作復(fù)雜、體積龐大且無法有效收集小型水域水面雜物，而對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。針對以上這些人工手機方式凸顯的問題提出了通過機器人代替人工,這相對于人工收集減少人工收集雜物的危險，而且采用機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)計了一款湖泊水面雜物收集機器人，基于STM32單片機控制，以圖像收集裝置、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。首先該設(shè)計的湖泊水面雜物收機器人體積要適中，這樣才能在具有更大的活動空間，達到水面的犄角之處的同時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國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國外的最先開始重視該項技術(shù)的發(fā)展，各國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、日本、意大利等國生產(chǎn)的，這些國家的水面清潔船在全世界范圍都具有很強的名望。 韓國名為“海洋清掃號”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，且長達20m，同時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。海洋清掃號收集的垃圾及雜物最大可達40噸。 日本“みずき”號總長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從船體中部開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，他的設(shè)計偏向于縱肋骨方式，還設(shè)計了壓載艙設(shè)在首尾兩舷的特殊結(jié)構(gòu)。其他的設(shè)計還包括設(shè)在船尾的垃圾回收補助用調(diào)查艇。 美國聯(lián)合國際船舶公司(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，推進力通過兩個螺旋槳提供，采用了雙船體型。該型號的清潔船己使用二十多年，技術(shù)相對比較完善。 與國外相比，雖然國內(nèi)對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)計出來，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”、由國內(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最大吃水深度可以非常低，甚至可以不超過0.87m。蘇州造船廠不僅為它設(shè)計了內(nèi)河駁船型線，還為它設(shè)計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，因此也具有不低的航速，它的航速可達13km／h；400kN內(nèi)河打撈工程船船體的上層部分最高點離水面低于4.35m，這是為了更好的通過橋等建筑物。進行垃圾清理工作時，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”優(yōu)點非常多，且以電為動力，沒有污染。在接近垃圾后，船上作業(yè)設(shè)備，將水面上雜物打掃一盡。該船實現(xiàn)了自動清掃、收集、儲存水面雜物，而且還可以沖刷岸上雜物，澆灌河邊綠地。 世紀(jì)之光是我國第一艘具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水面清潔船。 通過對國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的比較，我們可以看出：國外由于早年發(fā)展快，較早的提出了對于水面雜物收集的需求，所以獲得了較多的發(fā)展時間，形成了相對完善的技術(shù)，同時國外的雜物收集裝置功能也較全，特別是在自動化方面的發(fā)展程度非常高除。具備雜物收集功能外，還集合了檢測水質(zhì)、航線導(dǎo)航、地點定位等特點。相比于國外，我國由于某些歷史原因，某能及時的跟上發(fā)展的步伐，但是因為有國外技術(shù)的先決條件再加上中國人民自己的智慧也發(fā)展出了一些優(yōu)勢，特別是在智能化發(fā)面遠遠領(lǐng)先于國外。在市場存在較多的大型水域水面垃圾清理裝置，其中相對成熟的是水面清潔船，水面清潔船的功能也有較為全面。但是針對小型水域仍然存在以下問題：一是由于水面清潔船體量大無法正常在小型水域運作。二是現(xiàn)有的水面清潔船在清理垃圾保護環(huán)境的同時也會對環(huán)境造成一定的污染，危害附近水域各類動植物、魚類、藻類等生物的健康，而這是因為使用的是柴油機。三是現(xiàn)有的水面清潔船會產(chǎn)生很大噪音；四是存在一定的安全問題。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(shè)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，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)計了一種湖泊水面雜物收集機器人，基于STM32單片機控制，以用圖像收集裝置、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，其對于小區(qū)域的雜物收集效果極好。它可以減輕水域的環(huán)境污染問題，也可以填補當(dāng)前市場上小型水域雜物收集機器人的空缺。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，本課題的研究項目提供一種新的小型的水面雜物收集機器人，這具有十分重要的意義。 1.3主要設(shè)計內(nèi)容 湖泊水面雜物收集機器人要求如下： （1）主要作用是收集水面漂浮雜物，例如飲料瓶、塑料袋等； （2）能夠識別并避開障礙物； （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。 該設(shè)計的湖泊水面雜物收集機器人采用雙船體的機械結(jié)構(gòu)，以蓄電池供電，驅(qū)動直流電動機。螺旋槳推進器可以驅(qū)動船的前進與轉(zhuǎn)向。通過帶傳動驅(qū)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。機器人通過圖像收集裝置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。 本文設(shè)計的湖泊水面雜物收集機器人對于保證水域環(huán)境的整潔與美觀，營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器人的推廣和使用，可實現(xiàn)水面雜物收集自動化，極大的提高水面雜物收集效率，同時又起到對水面環(huán)境的維護保障功能。與水面雜物的人工打撈相比，采用湖泊水面雜物收集機器人可以極大地提高工作效率，這也是進行環(huán)境保護在水面雜物收集方面的重大進步。 第二章 總體方案設(shè)計 該機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器人的大小及載重，通過查閱資料并結(jié)合老師建議選用合理的機械結(jié)構(gòu)；收集雜物預(yù)想采用網(wǎng)狀式雜物收集箱來進行雜物的存放；通過圖像收集裝置采集遠距離水面雜物及障礙物影像；控制部分的核心是STM32單片機芯片，通過單片機可以整個湖泊水面雜物機器人的方向和速度等；當(dāng)雜物收集滿后返回指定地點人工傾倒雜物。 整個湖泊水面雜物收集機器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)合理，材料易尋且價格合理外觀簡約且美觀，采用電力驅(qū)動節(jié)約能源、無污染，且收集雜物快速有效。 表2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表 機械本體 船體 動力驅(qū)動部分 螺旋槳推進器、伺服電機、蓄電池 測試傳感部分 圖像收集裝置、光束遮斷式傳感器 控制部分 STM32單片機、伺服電機驅(qū)動模塊，繼電器 執(zhí)行機構(gòu) 傳送帶、雜物收集輔助裝置 湖泊水面雜物收集機器人的構(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 機械本體是船體，主要讓湖泊水面雜物收集機器人漂浮于水面并支持其他結(jié)構(gòu)的作用；動力驅(qū)動部分主要包括螺旋槳推進器、電機、蓄電池，其中螺旋槳推進器提供整個湖泊水面雜物收集機器人的驅(qū)動力，電機為傳送帶和雜物收集輔助裝置提供動力，而蓄電池則為整個系統(tǒng)提供動力來源；測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、伺服電機驅(qū)動模塊，繼電器，其中STM32單片機是整個湖泊水面雜物收集機器人的控制中心，而伺服電機驅(qū)動模塊和繼電器用于控制螺旋槳推進器和電機；執(zhí)行機構(gòu)包括傳送帶和雜物收集輔助裝置，兩者用來收集湖泊水面雜物。 第三章 機械系統(tǒng)設(shè)計 3.1機械本體設(shè)計 機械本體承載整個系統(tǒng)的部件，實現(xiàn)系統(tǒng)的構(gòu)造功能。 機器人機械本體選用船體，船體是湖泊水面雜物收集機器人的軀體部分，在系統(tǒng)設(shè)計中起著非常重要的作用，船體的設(shè)計結(jié)構(gòu)減輕了湖泊水面雜物收集機器人的自重，更重要的是增加了安放電機和控制部分的空間。在船體上需要安裝收集裝置、螺旋槳推進器、打撈裝置、雜物收集箱、控制部分，驅(qū)動部分等機構(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。 機器人的船體采用左右對稱布置的結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計不僅在船體的基礎(chǔ)上更加減輕了機器人的自重，還減少了湖泊水面雜物收集機器人在水中航行受到的阻力，對于整個湖泊水面雜物收集機器人的設(shè)計有著至關(guān)重要的作用。 前方有兩個支撐部分和連在一起的兩個凸臺，用來安放雜物收集輔助裝置和連接桿。連接桿用來使左右雜物收集輔助裝置同步，同時連接桿上有兩個錐齒輪和一個帶輪用來傳遞力。同時船體前部還有三個凸臺，其中一對對稱安置放軸承的支架，對應(yīng)船中部也有一對。船前部還有一個凸臺安裝帶輪及軸，連接兩個帶。另外左邊船艙有一個用于放置電機的凸臺。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。 船的頂部有一個頂棚，通過支撐梁和船焊接在一起，頂棚可以安裝簾子，用來防雨和防水。 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1200mm，寬800mm，高600mm，它的總體尺寸設(shè)計見圖3-1。 圖3-1 湖泊水面雜物收集機器人裝配圖 3.2動力驅(qū)動部分設(shè)計 動力驅(qū)動部分是系統(tǒng)能量和動力的來源，其輸出的動力選擇的來源是控制系統(tǒng)的控制要求，可以實現(xiàn)動力功能。 1）湖泊水面雜物收集機器人的滿載排水量 其中機械本體、蓄電池、螺旋槳推進器的重量、所能存儲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）最大吃水深度的計算 該湖泊水面雜物收集機器人的面積由我們所選擇的數(shù)學(xué)公式計算得； 公式可以計算我們所需要的機器人船體的最大吃水深度： 式（3-3） 該湖泊水面雜物收集機器人的船體高度為320mm小于計算所得200mm的吃水深度，因此機器人的高度滿足需求。 3）動力裝置選擇 由于該湖泊水面雜物收集機器人機械本體采用的是船體機構(gòu)，因此推進方案可以選擇船用推進器。而現(xiàn)代船用推進器應(yīng)用最廣的是螺旋槳，螺旋槳不僅機構(gòu)簡單，還有造價成本低，效率較高的特點，更重要的是螺旋槳使用方便。在本設(shè)計中螺旋槳推進器可以將動力裝置及電機提供的動力轉(zhuǎn)換成推進力，從而推動湖泊水面雜物收集機器人直行或轉(zhuǎn)彎，是這個湖泊水面雜物收集機器人必不可少的部分。 侵濕的面積計算根據(jù)湖泊水面雜物收集機器人在上一步計算所得最大吃水深度時的值為 200mm，根據(jù)計算侵濕的面積的數(shù)學(xué)公式計算可得，現(xiàn)假設(shè)設(shè)在水中湖泊水面雜物收集機器人行駛時的速度約為1m/s,那么湖泊水面機器人在湖泊行駛過程中，水流對船體的阻力可以根據(jù)以下設(shè)計公式計算得： 式（3-4） 由 式（3-5） 可得驅(qū)動機器人需要900W的功率，及每個螺旋槳推進器的功率為450W 根據(jù)分析我們選用了六葉螺旋槳推進器。根據(jù)前面我們經(jīng)由計算所預(yù)估出來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螺旋槳使船體轉(zhuǎn)向，這具有很強可操控性。 故根據(jù)以上計算步驟和計算出來的值可選擇如圖3-2所示的推進器。 圖3-2 螺旋槳推進器 3.3收集裝置電動機選擇 由分析，選用24V,100W電動機，故電動機型號為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)行機構(gòu)設(shè)計 包括執(zhí)行元件和機械傳動機構(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)化為機械輸出，實現(xiàn)系統(tǒng)主功能。 3.5.1同步帶輪的選擇 帶、帶輪之間沒有相對滑動，能確保其傳動比精確度高，這是由于帶、帶輪需依靠嚙合傳動。它對于鏈傳動、齒輪傳動來講，噪音小，且無需潤滑油，還具有較長壽命。該湖泊水面雜物收集機器人設(shè)計都采用同步帶傳動，且傳動比都為i=1，由前面可知電動機的額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。 1）確定同步帶傳動的設(shè)計功率 按工作機的性能及其運轉(zhuǎn)時間來查表K—修正載荷系數(shù)表，取 式（3-6） 2）選定帶型和節(jié)距 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》圖2-37，選3M同步齒形帶，查《機械設(shè)計手冊》，得其節(jié)距 3）大小帶輪齒數(shù)及節(jié)圓半徑 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》表2-4，得，選小帶輪齒數(shù)為 式（3-7） 因為傳動比為i=1，大小帶輪型號與尺寸完全相同 4）計算同步帶帶速 式（3-8） 5）初定中心距 中心距滿足 式（3-9） 取 6）確定帶長以及帶齒數(shù) 式（3-10） 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》表13-1-58，得， 7）計算實際軸間距 式（3-11） 8）求帶寬 式（3-12） 查《機械設(shè)計手冊》表13-1-51，得,取 確定型號為30-3M-6 3.5.2軸的計算 輸出軸的功率P=100W n=50r\min 1）選擇軸的材料 該軸無特殊要求，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，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 本畢業(yè)設(shè)計所設(shè)計的雜物收集箱為了快速節(jié)約材料同時方便更換設(shè)計成了如圖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。本文設(shè)計的雜物收集箱經(jīng)過裁剪后，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被雜物收集箱所限制，從而降低所受到的阻力，以此來提高工作效率。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 4.1控制方案選擇 控制方案比較：對于繼電器控制方案，在系統(tǒng)構(gòu)成后，想再改造或者增加整個系統(tǒng)功能困難，而且相比于其他方案還有體積大、能級大、連線多等問題。另外，繼電器的觸點數(shù)量是該方案的一個很大限制，這個限制會使得使得繼電器控制系統(tǒng)不具備很高可擴展性，同時也會降低系統(tǒng)的靈活性；盡管采用PLC會更加快捷方便，也會提高整個系統(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會有較高的成本，這與我們設(shè)計要求中成本低不相符合；而采用單片機系統(tǒng)相比于其他兩者來說不僅成本更低，而且效益更高，所以本設(shè)計采用單片機控制。 整個控制系統(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，進行分析、處理、存儲和決策，控制整個系統(tǒng)有目的的運行，實現(xiàn)控制功能。該湖泊水面雜物收集機器人設(shè)計的控制系統(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，他們分別是單片機控制器，光束遮斷式傳感器，圖像收集裝置，伺服電機驅(qū)動模塊，繼電器組成。 單片機控制器是一種微控制單元，是這個系統(tǒng)的控制核心；圖像收集裝置用來收集湖泊水面圖像；光束遮斷式傳感器檢測雜物收集裝置收否收集滿雜物；電機驅(qū)動模塊驅(qū)動螺旋槳推進器；繼電器主要是控制直流電機的啟停。 圖4-1 系統(tǒng)框圖 4.2單片機的介紹及選型 4.2.1單片機的介紹 MCU，又稱單片機，它和中央處理器具有類似的功能，但單片機的功能又遠遠不如中央處理器，具體來說將頻率和規(guī)格做恰當(dāng)降低就相當(dāng)于單片機，同時將DMA、memory、A／D轉(zhuǎn)換、LCD驅(qū)動電路等部分或全部整合在一片單片機芯片上，方便于在非常多的事物中做不同要求的控制，完成預(yù)計的目的。 如智能手機、電腦外圍、電視遙控器，甚至智能較車、電機、機器人的控制等，都有用到單片機。 單片機的主要運用范圍包括： （1） 測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)是用單片機作為控制中心與其他部件組合構(gòu)造各種控制系統(tǒng)以此來達到測量某些數(shù)據(jù)與控制某些動作的目的，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、智能廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中， 單片機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。 以上兩種種單片機的運用范圍只是大概情況，其他地方也有很多的運用。 4.2.2單片機的選型 為了實現(xiàn)機器人的人機交互，方便控制、實時反饋湖面、雜物收集箱信息等要求為本湖泊水面雜物收集機器人的選擇的主控芯片型號為STM32F103C8T6單片機。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器快速差速運動的需要，自帶的多路輸出PWM模塊便于螺旋機推進器的控制。整個系統(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 檢測傳感部分設(shè)計 檢測傳感部分包括各種多種多樣的傳感器和信號處理電路，我們可以根據(jù)我們所要達到的控制要求，設(shè)計中央處理器提供控制目標(biāo)所需要多種信息，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的檢測功能。 本設(shè)計主要包括圖像收集裝置和光束遮斷式傳感器。圖像收集裝置用來收集湖泊水面雜物的圖像信息，在整個系統(tǒng)中圖像收集裝置是為了完成識別雜物，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雜物收集箱是否收集滿雜物，是湖泊水面雜物收集機器人判斷是否應(yīng)該返回傾倒地點的必要傳感器。 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。這就需要我們設(shè)計的此款湖泊水面雜物收集機器人能有效的避開障礙物。為了機器人能有效收集雜物，我們也需要為機器人設(shè)計快速、準(zhǔn)確尋到雜物的功能。機器人避開障礙物，搜尋雜物從原理上來說兩者可以合二為一。為此設(shè)計并安裝了如圖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 為了檢測雜物收集箱是否已經(jīng)裝滿雜物，該湖泊水面雜物收集機器人采用并安裝了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)的檢測方法利用了紅外線。因此這些對射經(jīng)由專家計算有效距離在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，為了達成我們需要的預(yù)定計劃，我們需要為紅外對射探頭選擇恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間。 考慮到在本湖泊水面雜物收集機器人設(shè)計中光束遮斷式傳感器的主要作用是檢測雜物收集箱是否收集滿雜物，故可選擇較長的響應(yīng)時間。若雜物收集箱未滿遮光時間不會太長，因此響應(yīng)時間可以選擇1s。 4.4繼電器模塊設(shè)計 如圖4-5所示，本設(shè)計采用1路5V繼電器，繼電器的啟停通過單片機控制。在本設(shè)計中繼電器可以是控制直流電機的啟動和停止。從前面我們已經(jīng)可以知道雜物收集裝置的驅(qū)動力由直流電機提供，據(jù)此分析我們可以知道雜物收集裝置的啟停通過單片機控制繼電器的啟停間接由單片機控制啟停。 圖4-5 4.5電機驅(qū)動模塊設(shè)計 電機驅(qū)動模塊用來控制螺旋槳推進器，并能對一對螺旋槳推進器進行差速控制，從而能實現(xiàn)控制整個機器人的轉(zhuǎn)彎，因此選擇L298N電機驅(qū)動模塊。 電機驅(qū)動模塊如圖4-6所示。 圖4-6 電機驅(qū)動模塊 4.6程序設(shè)計 該湖泊水面雜物收集機器人軟件流程圖如圖4-7所示。 該設(shè)計的湖泊水面雜物收集機器人開始運行后，第一步為螺旋槳推進器驅(qū)動機器人直行；第二步為圖像收集裝置收集湖面信息；第三步為機器人檢測是否有障礙物，若有則螺旋槳推進器驅(qū)動機器人轉(zhuǎn)彎避開，然后返回第一步，若無則開始第四步；第四步為機器人檢測是否有雜物，若有則機器人開始第五步，若無則返回第一步；第五步為判斷雜物收集箱收否滿，若不滿則螺旋槳推進器驅(qū)動機器人收集雜物，收集完成后返回第一步，若滿則開始第六步；第六步為螺旋槳推進器驅(qū)動機器人返回指定地點，然后電機及螺旋槳推進器停轉(zhuǎn)，整個程序結(jié)束運行。 圖4-7 軟件流程圖 結(jié)束語 這次畢業(yè)設(shè)計可以說是我們大學(xué)生在整個大學(xué)生活中最重要的任務(wù)了，這次設(shè)計可以說是一次對于以往我們大學(xué)生涯學(xué)習(xí)的一次綜合檢驗和考核，更可以說是一次理論聯(lián)和實際相聯(lián)系的體驗。這次體驗對我來說是一次不斷解決問題并在解決問題中不斷的發(fā)現(xiàn)不足并超越自我體現(xiàn)人生價值的過程?？鞓泛屯纯鄡烧卟豢煞蛛x，盡管過程大部分都是艱辛的，但我也在艱辛得過程中體會到了認真完成一份工作的快樂。 設(shè)計剛開始的時候我們大家都是迷茫的，都不知道從哪里開始著手，整個人都是迷迷糊糊，對于畢業(yè)設(shè)計沒有一個總的概念，無法建立完整的具體的對于畢業(yè)設(shè)計的思路和方案。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，并沒有給予我靈光。在這時是李老師給予了我信心，他不斷激勵我、耐心得指導(dǎo)我。從這里開始，我才開始有信心完成我的畢業(yè)設(shè)計。李老師給予了我一個好的開始，讓我度過了前期最困難的時候，我才能緩緩的將畢業(yè)設(shè)計進行下去，這可能就是俗話說的萬事開頭難。總體上而言我的設(shè)計進行得很慢，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，但最終我還是完成了本次畢業(yè)設(shè)計。這可以歸功于我自己的努力，是我功夫不負有心人的表現(xiàn)，也歸功于李老師和同學(xué)們不斷得鼓勵和幫助。 完成畢業(yè)設(shè)計是困難的，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了我們過去我們所學(xué)。人的一生所擁有和將擁有的財富必然是有限的，而在這有限的財富中這次畢業(yè)設(shè)計所讓我獲得的財富所占的比重更是非比尋常。 這次的畢業(yè)設(shè)計對于我的動手能力、獨立思考能力和分析解決問題的能力等各個方面都是一次全面而具體的鍛煉。整個完成畢業(yè)設(shè)計的過程對與我來說，不僅讓我感覺到了知識的欠缺和經(jīng)驗的不足，而且還讓我進一步鞏固了專業(yè)。我將會在今后的工作與學(xué)習(xí)中，繼續(xù)這次畢業(yè)設(shè)計所體會到的精神，更加努力。 畢業(yè)設(shè)計雖然是一項挑戰(zhàn)難度非常高的任務(wù)，但我非常感謝這次畢業(yè)設(shè)計，這對我來說是唯一的經(jīng)歷。同時我也感到有一些不足，這些不足在總結(jié)的過程中讓我有了更加深刻的體會和感悟。我會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 正是因為有一群優(yōu)秀且品德高尚的人在我身邊不計回報的鼓勵和幫助我，我才能圓滿且及時的完成本次畢業(yè)設(shè)計，我從心底里非常的感謝他們。 首先，在本次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我的指導(dǎo)老師李教授不僅對我的研究內(nèi)容和研究方向進行了專業(yè)的指導(dǎo)和論證，并且在我進行課程設(shè)計遇到困難時，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 [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(xué)，2018. 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J.Light Electron Opt,2013,124(1):40-51. 附錄 1.湖泊水面雜物收集機器人雜物收集箱； 2.湖泊水面雜物收集機器人機械結(jié)構(gòu)圖； 3.湖泊水面雜物收集機器人設(shè)計零件圖； 4.湖泊水面雜物收集機器人裝配圖； 5.單片機控制系統(tǒng)硬件連接圖； 6.應(yīng)用程序軟件流程圖。 23