汪成樾，陈 艳，刘玥琦，朱安新，梁家豪，曾 勇
(湖北大学知行学院 机械与自动化学院，430011，湖北武汉)
湖泊水面常可见有害漂浮物、油污油膜、微型塑料等，这些生态污染现象造成大量生物死亡，使生物多样性不断降低，严重破坏生态平衡[1]，但多数水域生态污染现象并没有得到很好的解决[2]。
鉴于目前水上生态修复清理设备的缺陷、不足及使用现状不尽如人意，在进行广泛实际调研和资料查阅后，拟设计一款多功能遥控式生态修复船，综合利用机械、化学、人工辅助治理的办法，实现半自动化控制[3]，进行有害水生植物收割、油污处理、漂浮物清理等多种生态环境治理，克服人工清理和现有机器的局限性，有效降低劳动成本。设计的生态修复船可应用于各种干渠、水渠、河流、湖泊、海洋等多种水域的常态化水面生态治理修复。
经过团队成员反复调研，进行方案设计，拟定图1所示的设计思路。生态修复船整体结构包括船体、剪切装置、聚物装置、输送装置、搅碎装置、压缩装置、储物装置、喷洒装置、油污处理模块、太阳能自动追光系统及自控式夜间灯光控制系统等。
图1 设计思路
船体选用“箱体型”，外壁与前端选择设计成流线型，如图2 所示，有利于减少水流的阻力；
船体内侧做成60°的V 型结构，便于汇流。船体总长2 875 mm，宽2 096 mm，中间输送带宽621 mm，船高1 460 mm，内含螺旋桨驱动机构。
图2 船体结构
剪切装置主要用于切断水生有害植物的根部，由往复运动的割刀和固定不动的支承部分组成。聚物装置借鉴水稻多齿拨禾收割机，将拨草轮安装于输送装置的前端、剪切装置的上方，由电机通过链传动带动拨草轮，将有害物拨入输送带，保障清理作业的正常进行。输送装置将有害物传输至搅碎装置。根据船体双体构造，将输送装置放在双体结构中间以便进行传输，传输带的角度取45°。为避免有害物在传输过程中倒退下滑，每隔一段距离增加一块挡板，挡板高度建议取值范围为40～45 mm。上述装置的位置布置如图3 所示。
图3 剪切、聚物、输送装置结构简图
搅碎装置通过电机-齿轮减速器，驱动两个刀轴正反旋转，利用两刀轴上的相邻刃口相互剪切、挤压对水上有害物进行破碎。压缩装置采用直线推杆电机，实现破碎物在存储装置内的空间压缩，尽可能提高存储利用率。储物装置借鉴家用抽屉的原理，设计成可抽拉式储存屉，将搅碎、压缩后的有害物通过进料口集中储存在储存屉，屉承板设有多个小孔，下方隔板具有一定斜度，可将水排到下方沥水池单独排出。当存储量达到一定程度时，由人遥控船回岸边将有害物从屉中清理出去。上述装置的位置布置示意图如图4 所示。
图4 搅碎、压缩、储物、喷洒装置结构简图
喷洒装置（撒药装置）是利用物理或化学净化原理对受到污染的水域进行净化处理，操作人员将药物倒入拌药池内，通过水泵和喷洒器均匀喷洒在水面，结构如图5所示。油污、微塑料的处理模块可设计成可拆卸式油水分离器，方便整治水中油污及微塑料问题，如图6 所示。
图5 喷洒装置
图6 油污收集装置
自控式夜间灯光装置利用光敏电阻实现灯光的启闭，夜间光线过暗，灯光开启，白天灯光自动关闭，可满足夜间作业及节能需求。考虑窄洞、隧道等特殊作业环境，增设摄像头模块，可通过手机查看复杂环境，并有效处理作业需求。如图7 所示。
图7 自控灯及摄像头安装位置图
太阳能自动追光系统可以保证太阳能板自动跟踪太阳，且始终使电池板以最佳角度面向阳光，提高对光能的利用率，并转化为电能。通过接入充电控制模块对蓄电池进行充电，当充到95%时，充电系统将会自动断开以保护蓄电池[4]。自动追光系统机械结构如图8 所示。
图8 太阳能自动追光系统结构简图
本产品结构设计主要采用SolidWorks 模型搭建，为后续的运动仿真和ANSYS 有限元分析及结构优化做准备，以提高其合理性。最终整机结构示意图如图9 所示。
图9 生态修复船整体结构图
STC89C52 单片机通过HC-06 蓝牙模块与Android 手机通信，控制驱动电机启动或停止，实现遥控功能，相关原理图如下页图10 所示。
图10 蓝牙遥控原理图
2.1 转向控制系统
转向控制系统由单片机控制船体内部两电机，通过改变输入端的逻辑电平实现转向。采用L298 N 专用驱动集成电路，输出电流2 A，最高4 A，最高工作电压50 V，与单片机直接相连，可实现电机正转与反转。
2.2 新能源充电系统
采用性能优异的锂电池恒流/恒压线性充电器TP4056 模块进行充电。基于MOSFET 架构和特有的防倒充电路设计，TP4056 不需要单独外接隔离二极管和检测电阻。当外界周围环境温度很高或者在大功率应用情景下充电时，充电器TP4056 模块内部热反馈系统可以调整充电电流大小，用以降低芯片温度。充电器TP4056 模块充电电压固定在4.2 V，充电电流大小通过外部电阻器进行调整。当电压达到最终浮充电压后电流下降至给定值的10%时，TP4056 终止充电循环。当输入电压断开时，TP4056 进入睡眠状态。
2.3 搅碎压缩系统控制
单片机控制继电器实现电动推杆的伸缩。通过继电器四个I/O 输出口实现状态的改变（如图11 所示）。每次只有继电器的两个输出口为吸合状态，才能实现电动推杆的某种功能。如果继电器的四个口都没有吸合，则电动推杆会自锁；
但是要避免出现四个输出口都吸合的状态。
图11 压缩装置控制示意图
2.4 太阳能自动追光系统
设计一种可自动追光电路系统，搭配自动追光系统结构，使太阳能板以最佳角度面向阳光，原理图如图12 所示。由四个光敏和固定电阻构成一个十字架。如果光照不同，UP、DW、LF、RT 的电压会发生变化。单片机驱动0832 芯片，分别读取UP、DW、LF、RT 电压值。如果UUP＞UDW，舵机向下转动；
如果UUP＜UDW，舵机向上转动；
如果ULF＞URT，舵机向右转动；
如果ULF＜URT，舵机向左转动：控制PWM 的占空比。
图12 太阳能自动追光系统原理图
2.5 自控灯光感应系统的搭建
自控灯光感应系统由光敏电阻同TP4056 相连接，当光敏电阻所处环境的光线亮度发生改变时，其电阻值大小也会发生相应变化，使得TP4056 通道得到的电压信号值发生对应变化，由TP4056 转换成相应数字信号，传递给STC89C52 单片机进行处理。原理图如图13 所示。
图13 自控灯光感应系统搭建原理图
本新型遥控式生态修复船可广泛应用于海洋、干渠、湖泊、河流、水渠等水域的常态化生态治理修复，具有以下创新点：采用光敏自控式灯光，可满足夜间工作条件并且节省能源；
采用搅碎与压缩装置，可节省储存空间，降低运收成本，方便回收；
采用摄像头+灯光，可深入隧道等特殊环境；
利用单片机进行智能控制，远程操作，安全可靠；
设有喷洒模块，可喷洒各种生态治理药物，实现生态修复；
符合“碳达峰”“碳中和”发展趋势，采取可充式动力源提供能源，且可利用太阳能进行充电，环保性高。