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广东暴雨来袭,水上最强清洁工即将上线!

2022-05-14 本站作者 【 字体:

导读:广东今年将进入最强“泼水模式”。5月11日,珠海市香洲区城区阳台大面积被淹,地面完全被积水覆盖。只有室外的桌椅露在水面上,水面上还漂浮着杂物。

近年来,随着自然灾害的频繁发生,水面垃圾污染逐渐加剧。暴雨洪水过后,通过人工打捞,垃圾清理效率很低,运行成本高,劳动强度大,人身安全没有保障。随着智能设备的不断发展,地面垃圾清扫机器人应运而生。

水面垃圾清理工具换了好几次。

21世纪以来,中国的水污染日益严重。水上垃圾是水污染的重要来源之一,它破坏了水生态系统的平衡,严重危害居民健康,对航道堤坝的运行构成极大威胁。国家还重视与水资源维护、饮用水安全和可持续发展有关的政策和措施。

与此同时,快速的城市化、工业化、旅游业的发展以及人们环保意识的淡薄,导致污染问题日益严重,也使得河流、湖泊、港口甚至近海水面的漂浮垃圾污染日益严重,尤其是流经城市生活区的河段。大量水面垃圾污染,不仅破坏了生活水源,也影响了市容环境,其污染控制和治理亟待加强。

重庆甘宁水库上游水面垃圾污染严重。

目前大部分地表垃圾都是人工打捞,效率低,成本高,限制因素多,劳动强度大,容易发生事故。据调查资料显示,景区内人工湖或堤坝等水域需要定期清理,避免垃圾堆积造成水质污染。目前大部分垃圾都是人工打捞清理,不仅增加了工人的劳动强度,还存在一定的危险性。如果打捞出的垃圾过大,清洁工就会落水,导致事故发生。

普通水面救助作业

经过制造技术的进步,我国出现了大型打捞机械船,适合在大江大河中使用。但这种清洁船成本高,体积大,人力资源消耗大,智能化程度低。市场上现有的清洗船功能单一,定位精度差;漂浮物识别率低,无法有效分类识别垃圾。清洁装置依靠人工操作,所以它不可能是全自动的。

近十年来,随着智能制造的发展和AI技术的运用,表面垃圾清理工具发生了新的变化,变得更加智能化和全自动化,极大地解放了表面清洁工的生产力。

2015年12月,中科院合肥研究院智能所研发出“风景互补”的自助式水面机器人。这种自动水面清洁机器人由水面漂浮物自动回收装置和水面机器人组成,类似于家用清洁机器人。主要用于清理固体垃圾、浮萍等。各种海洋、湖泊、河流、滩涂、景区的湖泊、池塘,以及危险区域的远程作业,提高安全性和效率。

不同的结构,不同的适用场景

这类机器人进行自主清洁,一般包括实时垃圾检测、视觉跟踪导航、动态抓取物体三大功能。可以认为矿泉水瓶在水面上的漂浮必然是动态的,由于风向和水流的影响,它在水面上的位置是不断变化的。另一方面,机器人首先需要实时检测垃圾。他们需要知道矿泉水瓶是什么,瓶子在哪里,然后学习智能追踪,也就是实现自主导航,最后到达一定距离,就可以动态抓取。

抓取结构

图为抓取,这是由其机械结构决定的。在一些特殊的水面清洁区域,这种结构是一种很好的方式,但有时在大多数环境下并不适用。由于其抓取效率较低,一个接一个,甚至可能会出错,出现抓不到的情况。毕竟水流是动态的,机械手抓不住瓶子可能会把瓶子推得“更远”。同时,这里的机器人比较小,但是非常适合在狭窄的水域进行特殊的清洁作业,这些水域不适合大船进入的地方,比如有放射性污染的瓶子,等等。

这样的机器人除了直接抓取垃圾,还有一种方式就是滚动,这是针对机械结构的。采用刻有空图案的收集板,可以使水流在收集板接触水面时顺利通过缝隙,减少传送带运行时产生的水流波动对垃圾漂浮物位置的影响,从而提高垃圾收集效率,如下图所示。

滚动结构

这种机械结构使得大规模智能清洁水面成为可能。以下为2018年11月首届中国国际进口博览会。中科院合肥研究院智能机械研究所研发的智能清洁机器人——智能清洁一号亮相上海黄浦江,引起广泛关注。随着进一步发展,将有可能完全取代人工打捞船舶。

智能清洁水机器人-智能清洁一号

多种智能技术的集成与合作。

自主导航设计是机器人实现自主清扫垃圾的必要条件,而自主导航的第一步是对工作区域进行地图绘制和定位。一般机器人会配备NVIDIA TX2、激光雷达、差分GPS、IMU、双目摄像机等设备,利用激光SLAM算法构建工作水域的三维地图,融合IMU、差分GPS、激光点云数据,实现船体在工作水域的精确定位。差分GPS定位具有厘米级精度。结合全局点云地图,通过路径规划算法计算出船体的最优作业路径,实现了水域自主导航。

底层一般采用差动结构驱动,有利于船体在水中的灵活运动。底层运动控制部分以ARM 32位微处理器为控制核心,给定的PWM脉冲信号控制螺旋桨的速度和方向。运动控制器通过串口与上位机进行数据通信,上位机进行运动决策并发出运动指令,通过底层运动解算转换成相应的PWM波发送到相应的端口,从而实时控制螺旋桨的运动状态,实现底层与上层的有效统一。

除了自主导航,垃圾的识别和分类也是重中之重。通过双目相机和激光雷达数据的融合,利用激光雷达无法探测透明物体(水)的特性,消除反射和纹波引起的虚警,通过水岸图像分割,消除岸边对目标识别的影响。利用跟踪算法,利用目标识别结果初始化跟踪框,进而跟踪漂浮垃圾,提高抗干扰能力。

结论:

本发明利用垃圾收集带等结构,可以充分打捞漂浮在水面上的塑料袋、烟头、浮萍等水面垃圾,实现垃圾清理的智能化、无人化操作。同时对漂浮垃圾进行分类、挤压、打包成块,打捞漂浮物,实现了智能清理作业,大大提高了打捞效率。

在表面垃圾清理的同时,还可以通过安装小型化重金属检测仪器,形成水质监测的移动实验室,实现大部分水域全天候、立体化水质断面的原位、低成本实时水质监测、分析和预警。

参考资料:

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