太陽能遙控水面漂浮物清理船說明書

1、太陽能遙控水面漂浮物清理船設(shè)計(jì)者：伍振宇、周俊波、侯得志、王春龍、肖夢(mèng)、董佳、徐芳 指導(dǎo)老師：周為民、王玉林南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，衡陽市，郵編：421001關(guān)鍵詞：太陽能、遙控、漂浮物、清理作品內(nèi)容簡介 太陽能遙控水面漂浮物清理船是針對(duì)理船主要針對(duì)各種湖泊河道,尤其是狹窄河道、灘涂及景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。通過方案設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試設(shè)計(jì)而成 ，由太陽能電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、 作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用傳送帶進(jìn)行垃圾的回收清理。動(dòng)力系統(tǒng)中的動(dòng)力電機(jī)通過導(dǎo)線及遙控接收裝置與太陽能

2、電池系統(tǒng)中的蓄電池連接，遙控接收裝置的輸入端通過導(dǎo)線與傳感系統(tǒng)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池連接，人員在岸邊進(jìn)行遙控操作。聯(lián)系人：伍振宇聯(lián)系電話：E-mail：1研制背景及意義 據(jù)調(diào)查分析和平時(shí)的觀察可知中國現(xiàn)在大多數(shù)的河流湖泊，特別是各種景區(qū)的湖泊都受到垃圾的污染，不僅影響美觀，時(shí)間長久的話還產(chǎn)生各樣污染物，會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生污染，從而影響水質(zhì)。另外，垃圾不清理還導(dǎo)致航道的阻塞。而且如今國內(nèi)大多數(shù)的垃圾處理是靠人在船上用漁網(wǎng)等工具打撈，不僅需要大量的人力物力，而且效率低，在一些危險(xiǎn)區(qū)域人員的人身安全得不到保障。而市場(chǎng)上的垃圾打撈船價(jià)格昂貴，價(jià)格幾萬到幾十萬不等，難于得到普遍推廣。而且現(xiàn)有的垃圾清理船體

3、積龐大，不靈活而且對(duì)于狹窄的河道、灘涂或者是公園景區(qū)的小型湖面沒辦法進(jìn)行作業(yè)。再次，現(xiàn)有的船都是靠柴油機(jī)或者汽油機(jī)作為動(dòng)力，在作業(yè)的時(shí)候不僅產(chǎn)生大量的廢氣還有漏油，對(duì)氣體和水體都有污染，并不符合國家現(xiàn)在提出節(jié)能減排的政策。所以新型高效節(jié)能的垃圾清理船急迫的需要。太陽能遙控水面漂浮物清理船是針對(duì)理船主要針對(duì)各種湖泊河道,尤其是狹窄河道、灘涂及景區(qū)內(nèi)的湖泊、池塘的固體垃圾、浮萍等清理，以及危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)，提高安全性和高效性。2設(shè)計(jì)方案 通過方案設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試設(shè)計(jì)而成 ，由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)和船體組成。2.1電器控制 太陽能電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)和傳

4、感系統(tǒng)都包含有電器控制部分。太陽能電池系統(tǒng)： 太陽能電池板如圖：太陽能電池板位于側(cè)邊的兩個(gè)船體表面，可以節(jié)約空間。利用電池板進(jìn)行發(fā)電，電存儲(chǔ)在蓄電池中，從而進(jìn)行利用。為了防止太陽能電池的壽命，增強(qiáng)其防腐、防雨、防污等能力，采用玻璃合金密封，在表面增加玻璃板，而背面增加合金薄片。圖1太陽能電池板動(dòng)力系統(tǒng)：動(dòng)力系統(tǒng)包括蓄電池，導(dǎo)線，電動(dòng)機(jī)，齒輪、螺旋槳等。蓄電池可以充電，也可以利用太陽能電池板轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)，蓄電池提供電能，讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，推力是采用雙螺旋槳推動(dòng)，獨(dú)立電機(jī)，分別位于兩個(gè)船體的后部，這樣控制就靈活，而且也有足夠的動(dòng)力。圖2動(dòng)力傳動(dòng)圖圖3雙螺旋槳驅(qū)動(dòng)遙控系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)：這部分主要利用單片

5、機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行控制?？刂乒δ苤饕?、 獨(dú)立控制2個(gè)螺旋槳的速度以達(dá)到控制方向（左右前后），和速度。2、 感應(yīng)傳感，探測(cè)障礙物，可以自己智能改變方向和速度，避免碰撞，可以實(shí)現(xiàn)無人操作自動(dòng)作業(yè)。3、 控制傳送帶作業(yè)。2.2機(jī)械部分船體部分：該作品采用2個(gè)船體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以放置太陽能電池板，安裝螺旋槳、動(dòng)力系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)、和回收垃圾裝置主要位于中間的船體。這樣的設(shè)計(jì)不僅外觀漂亮，而且結(jié)構(gòu)合理，有利于船的平衡。作業(yè)系統(tǒng)：主要是由傳送帶、支撐架、齒輪、電機(jī)、抓盤組合成。利用傳送帶和抓盤的結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后抓盤可以把垃圾從水面打撈到船上的回收艙中 圖4抓盤 圖5垃圾箱3理論設(shè)計(jì)計(jì)算1、

6、 物理計(jì)算：1、單個(gè)船體積估計(jì)：700mm25mm25mm2、空船的質(zhì)量估計(jì)：船骨架2kg,支柱骨架2kg，傳送帶及抓盤1kg, 機(jī)電設(shè)備2kg，平衡鐵塊（用于調(diào)節(jié)作用根據(jù)實(shí)際情況質(zhì)量待定）。3、船阻力的估計(jì)：船的阻力分為興波阻力，粘壓阻力，摩擦阻力，附體阻力，風(fēng)阻力。各種成分在不同航速的船中不同對(duì)于低速船來說摩擦阻力占總阻力的70%-80%，粘壓阻力大于10%，風(fēng)阻力和附體阻力成分很小。在船舶的阻力計(jì)算中兩個(gè)參數(shù)對(duì)阻力的考察很重要，一個(gè)是雷諾數(shù)Re，另一個(gè)是傅汝德數(shù)Fn，其中Re=Lv/v（v表示船航行的速度，我們?cè)O(shè)計(jì)的最高船速為5m/s，v表示運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)在水溫15，v為1.13902E6

7、代入公式得Re=3.0973E-6。Fn=v/，代入公式得Fn=0.431。根據(jù)1935年在巴黎召開的國際船模試驗(yàn)會(huì)議上，正式宣布采用下列公式計(jì)算船體的阻力Rf=f Sv1.825/101.94,其中為水的密度， S為船的濕面積，f 為阻力系數(shù) ，f 其值為 0.1392+1+0.0043(15-t),L為船長，t為水溫。初步計(jì)算總阻力值23.425N。4、螺旋槳與電機(jī)扭矩的選擇：螺旋槳的拉力系數(shù)和功率系數(shù)與槳葉數(shù)目實(shí)度、槳葉角成正比 ，又我們同時(shí)要求螺旋槳的轉(zhuǎn)矩與主機(jī)通過軸系（在額定的轉(zhuǎn)速下）發(fā)出的轉(zhuǎn)矩相平衡 ，通過上訴船體的阻力估計(jì),我們選擇電機(jī)的軸半徑為8mm,螺旋槳的半徑為80mm,電

8、機(jī)的扭矩為1N*m。二、電學(xué)計(jì)算：1、太陽能電池的發(fā)電量:M=Pmhu，一天按太陽照射10小時(shí)計(jì)算，那么該產(chǎn)品一塊太陽能電池發(fā)電量M=15100.7=105wh，完全可以為12v，1.3Ah蓄電池充電。12V6w的電機(jī)工作需要的電流是0.5A 。12V 1.3AH的蓄電池充滿電后，按10小時(shí)的放電量計(jì)算，正常電流為1.3A，減去效率問題，12v6w的電機(jī)可以工作1518小時(shí)，所以太陽能電池為蓄電池充一次電就可以工作1.5個(gè)小時(shí)左右。2、 電路原理：發(fā)射原理：當(dāng)遙控發(fā)射機(jī)發(fā)出的無線電波時(shí),TaTd操縱桿用脈沖信號(hào)及Ts矩形波(共5個(gè)信號(hào))組成一個(gè)周波，在1秒時(shí)間內(nèi)大約自動(dòng)重復(fù)出現(xiàn)30個(gè)周波，比例

9、脈沖的寬度一般為1.5ms0.5ms。 TaTd分別與和操縱桿連接的可變電位器相對(duì)應(yīng)，當(dāng)操縱桿運(yùn)動(dòng)時(shí),TaTd的信號(hào)隨之改變其時(shí)間寬度，促使與接收機(jī)連接的電機(jī)邊做出相應(yīng)成比例的動(dòng)作。Ts信號(hào)不是用于操縱桿的，它是一個(gè)固定的時(shí)間脈沖，它有較長的時(shí)間寬度，其作用是當(dāng)接收機(jī)由于雜音信號(hào)干擾而引起信號(hào)排列紊亂時(shí)，它能自動(dòng)整形使接收機(jī)能夠識(shí)別。在脈沖信號(hào)之間的To是沒有無線電信號(hào)的間隔期，也就是我們所說的脈沖寬度，它能使接收機(jī)可靠地區(qū)別多個(gè)連續(xù)的脈沖信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部電路的調(diào)制、編碼，再通過高頻信號(hào)放大電路由天線將電磁波發(fā)射出去 。接收原理：它是由選頻電路、放大電路、譯碼電路等部分組成。從接收放大電路出來的

10、脈沖信號(hào)，通過譯碼電路后就能分別獨(dú)立地取出由發(fā)射機(jī)發(fā)出的操縱桿動(dòng)作信號(hào)TaTd，并分配到不同的譯碼地址輸出口。電機(jī)是把從接收機(jī)傳來的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械的動(dòng)作的一種機(jī)電一體的裝置，主要作用是把接收機(jī)收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作，借此完成方向和速度的控制。超聲波傳感原理：超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)1的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理采用渡越時(shí)間法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。硬件電路設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由pola

11、roid600 系列傳感器、polaroid6500 系列超聲波距離模塊和at89c51 單片機(jī)構(gòu)成。 圖6接收及控制電路 圖7操控發(fā)射電路4工作原理及性能分析 我們利用太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成電能，由此來驅(qū)動(dòng)整個(gè)設(shè)備的工作。執(zhí)行作業(yè)系統(tǒng)中的傳送帶通過動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用傳送帶進(jìn)和抓盤行垃圾的回收清理。動(dòng)力系統(tǒng)中的動(dòng)力電機(jī)通過導(dǎo)線及遙控接收裝置與太陽能電池系統(tǒng)、蓄電池連接，遙控接收裝置的輸入端通過導(dǎo)線與傳感系統(tǒng)，人員在岸邊進(jìn)行遙控操作。 通過理論計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)，整個(gè)工作流程能夠完全由太陽能電池板提供電能進(jìn)行作業(yè)，遙控度好，垃圾回收率高。5創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用 創(chuàng)新點(diǎn)：1、遠(yuǎn)程遙控控制，單片機(jī)智能控制，

12、具有傳感效應(yīng)，避免與物體碰撞， 半自動(dòng)化強(qiáng)。 2、實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向，無周期傳送帶回收，效率高。 3、結(jié)構(gòu)簡單，易于維修,成本較低，易于推廣。 4、利用蓄電池和太陽能輔助發(fā)電提供電能，環(huán)保，高效益。 此外,它可,有效清除狹窄水面的垃圾,還可通過遙控作業(yè)，到危險(xiǎn)區(qū) 域進(jìn)行作業(yè)，人員的人身安全得到保障。 圖8整體效果圖圖9背面整體圖參考文獻(xiàn)1田力文主編，太陽能光伏照明手冊(cè)。化學(xué)工業(yè)出版社，2011：1-57 2趙連恩主編，高性能船舶水動(dòng)力原理與設(shè)計(jì)哈爾濱工程大學(xué)出版社，20013張孝林、陳世達(dá)、舒郁文等以譯，紅外技術(shù)應(yīng)用光電、光子器件及傳感器，化學(xué)工業(yè)出版社，20044趙桂欽、卜艷萍譯，電子電路分析與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，2