混合动力式水面垃圾清理装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及水面垃圾分类回收技术领域，尤其涉及混合动力式水面垃圾清理装置及其控制方法。

背景技术

我国如今正处于经济蓬勃发展期，旅游业是当下极热门的行业，这就导致了景区的自然湖、人工湖、大大小小的河道区域的垃圾来源不断增加，垃圾积累不仅会影响河道的美观，更会破坏河域的生态平衡。除此之外，水利行业的污染问题也不容忽视。尽管国家已投入大量的人力、物力来整治河流湖泊的污染现状，但依然大量存在着不同水草和各种漂浮物在水中聚集的现象。

针对这些水面悬浮垃圾，目前采用的清理方式主要有人工打捞、机械打捞及水面机器人收集等三种方式。其中依旧是以人工打捞为主，但是人工打捞效率低下，清洁度不高，并存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明提供的混合动力式水面垃圾清理装置及其控制方法，无需人工对水面垃圾进行打捞和分类处理。

一方面，本发明提供的混合动力式水面垃圾清理装置，包括：

清理单元，用于收集和处理水面上的固态垃圾和湿垃圾的混合物；

驱动单元，用于驱动清理单元；

电力单元，用于为驱动单元提供电力；

控制单元，用于接收控制端信号控制驱动单元；

所述电力单元，包括：风力发电装置和太阳能发电装置；

所述风力发电装置和太阳能发电装置都安装在清理单元上，分别与驱动单元和控制单元电性连接。

进一步地，所述清理单元，包括：船体、传送带、旋转耙头、耙吸头和离心机；

所述旋转耙头，用于通过在水面上转动，收集水面上的固态垃圾和湿垃圾的混合物；

所述传送带，用于将混合物中的固态垃圾和湿垃圾分离；

所述耙吸头，安装在传送带的输出侧，位于船体的内部，用于吸收传送带分离出来的湿垃圾；

所述离心机，安装与耙吸头的输出端，用于将湿垃圾与水体分离；

所述旋转耙头安装在传送带的输入侧，位于船体的前方。

更进一步地，所述驱动单元，包括：

第一电机，用于驱动船体在水面上行进；

第二电机，用于驱动传送带转动；

第三电机，用于驱动旋转耙头在水面上转动；

第四电机，用于驱动离心机运动。

再进一步地，所述耙吸头的输入端设置有第一感应装置，用于检测耙吸头内湿垃圾的聚集量；

所述传送带上设置有第二感应装置，用于检测传送带上固态垃圾的聚集量；

所述第一感应装置和第二感应装置分别与电力单元和控制单元相连。

还进一步地，所述船体内部，设置有固态垃圾回收箱和湿垃圾回收箱；

所述固态垃圾回收箱，用于收集传送带分离得到的固态垃圾；

所述湿垃圾回收箱，用于收集离心机分离得到的湿垃圾；

所述固态垃圾回收箱内安装有检测固态垃圾重量的第三感应装置；

所述湿垃圾回收箱内安装有检测湿垃圾重量的第四感应装置。

在上述技术方案中，所述风力发电装置，包括：风机和电机系统；

所述风机通过转动使电机系统产生电源；

所述太阳能发电装置为太阳能电板；

所述控制单元为单片机。

进一步地，所述风机包括：叶轮前端和多个叶片；

所述叶轮前端上开设有多个均匀的轮毂；每个轮毂上安插有一个叶片。

更进一步地，所述叶轮前端的后部与电机系统相连，所述电机系统，包括：轴承座、主轴、齿轮箱、联轴器和发电机；

所述叶轮前端的后部依次连接轴承座、主轴、齿轮箱、联轴器和发电机；

所述叶片转动，带动轴承座转动将力矩依次通过主轴、齿轮箱和联轴器传递至发电机，使发电机发电。

另一方面，本发明提供的混合动力式水面垃圾清理装置的控制方法，包括：

控制单元接收控制端信号；

控制单元控制第一电机，驱动船体按照既定路线自动行驶；并且控制第二电机和第三电机，分别驱动传送带以第一传送速度、旋转耙头以第一旋转速度开始转动；

判定既定路线未完成后，控制单元通过第一感应装置反馈的湿垃圾的聚集量和第二感应装置反馈的固态垃圾的聚集量，控制传送带和旋转耙头的转动速度；

控制单元控制通过第三感应装置反馈的固态垃圾重量和第四感应装置反馈的湿垃圾重量，判断垃圾是否超重；若超重，则清理结束。

进一步地，所述控制单元通过第一感应装置反馈的湿垃圾聚集量和第二感应装置反馈的固态垃圾聚集量，控制传送带和旋转耙头的转动速度，具体包括：

若湿垃圾聚集量大于零，小于第一湿垃圾聚集量阈值，且固态垃圾聚集量都大于零，小于第一固态垃圾聚集量阈值时；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带以第二传送速度、旋转耙头以第二旋转速度转动；所述第二传送速度大于等于第一传送速度，所述第二旋转速度转动大于等于第一旋转速度；

若在第一预定时间段内，湿垃圾聚集量的平均值大于第一湿垃圾聚集量阈值，固态垃圾聚集量的平均值大于第一固态垃圾聚集量阈值；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带以第三传送速度、旋转耙头以第三旋转速度转动；所述第三传送速度大于第二传送速度，所述第三旋转速度大于第二旋转速度；

若在第二预定时间段内，湿垃圾聚集量和固态垃圾聚集量都为零；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带和旋转耙头停止转动。

在本发明中，控制单元控制驱动单元，直接驱动清理单元将水面上的固态垃圾和湿垃圾的混合物进行分离，无需依赖人工清理。另外，为驱动单元和控制单元提供电力的为风能和太阳能，不仅节省电力成本，而且环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中装置的模块结构示意图；

图2为本发明实施例中装置的立体结构示意图；

图3为本发明实施例中船体的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例中船体的仰视结构示意图；

图5为本发明实施例中电力单元的结构示意图；

图6为本发明实施例中电机系统的结构示意图；

图7为本发明实施例中传送带的结构示意图；

图8为本发明实施例中耙吸头和离心泵的连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在水面上，固态垃圾的体积较大，容易打捞；湿垃圾没有固定形状，往往会从打捞网中流出，造成打捞困难。

如图1所示，本实施例所述的混合动力式水面垃圾清理装置，包括：

清理单元101，用于收集和处理水面上的固态垃圾和湿垃圾的混合物；

驱动单元102，用于驱动清理单元101；

电力单元103，用于为驱动单元102提供电力；

控制单元104，用于接收控制端信号控制驱动单元102；

所述电力单元，包括：风力发电装置12和太阳能发电装置13；

所述风力发电装置12和太阳能发电装置13都安装在清理单元上，分别与驱动单元102 和控制单元103电性连接。

风力发电装置12和太阳能发电装置13通过立柱14和基础板15安装在船体1上，与蓄电池相连，可为蓄电池充电。

在本实施例中，采用蓄电池与太阳能共同供电，同时可以通过控制单元104来调整太阳能发电装置13的朝向位置已获得更多的太阳能。

如图2至8所示，所述清理单元，包括：船体1、传送带2、旋转耙头3、耙吸头7和离心机10；

所述旋转耙头3，用于通过在水面上转动，收集水面上的固态垃圾和湿垃圾的混合物；

所述传送带2，用于将混合物中的固态垃圾和湿垃圾分离；

所述耙吸头7，安装在传送带2的输出侧，位于船体1的内部，用于吸收传送带2分离出来的湿垃圾；

所述离心机10，安装与耙吸头7的输出端，用于将湿垃圾与水体分离；

所述旋转耙头3安装在传送带2的输入侧，位于船体1的前方。

在本实施例中，利用旋转耙头3将水面垃圾进行收集，然后利用传送带2将固态垃圾和湿垃圾进行分离。分离后的固态垃圾容易回收，而湿垃圾就通过耙吸头7进行吸收。整个垃圾处理的过程没有运用到人力，因此，本实施例使得水面垃圾处理过程即不需要人工打捞也不需要人工进行分类回收，从而提高了水面垃圾回收的效率，降低水面垃圾回收的成本。

所述驱动单元102，包括：

第一电机，用于驱动船体1在水面上行进；

第二电机，用于驱动传送带2转动；

第三电机，用于驱动旋转耙头3在水面上转动；

第四电机，用于驱动离心机10运动。

在本实施例中，所述控制单元104为STM32系列单片机。船体1内还设置有电池电控舱24和动力舱21；所述电池电控舱24的前半部分放置单片机，后半部分放置容量为 20Ah的蓄电池，在近船一侧设有导线通孔，所有导线均通过导线通孔与船体其他部分相连；动力舱21内放置第一电机。第一电机通过发动机轴与船底的一对三叶螺旋桨相配合，为船体前进提供动力。

所述传送带单元2，包括：传送链条2.1、连接滚轮2.2和第一滤网2.3；

所述传送链条2.1首尾相接后，在输入端和输出端分别设置一个连接滚轮2.2；

所述连接滚轮2.2带动传送链条2.1转动，使混合物在传送链条2.1上传动；

所述第一滤网2.3开设在传送链条2.1上，用于将混合物中的湿垃圾分离出传送链条 2.1。

所述传送链条2.1上，沿传送链条2.1传送面的垂直方向上，均匀地设置有多块隔板2.4；

所述隔板2.4用于将传动的固态垃圾固定在传送面上。

在本实施例中，在船体1前行时，旋转耙头3不断运动，将所有水面垃圾纳入船体1前方挡板。传送带单元2固定在船体1前方固定支架上。连接滚轮2.2通过船体1内部对应的驱动装置使其在船体1前进过程中运行。隔板2.4用于收集由旋转耙头3所聚集起来的固态垃圾，防止固态垃圾脱落，提高收集效率。第一滤网2.3能够使混合物中的湿垃圾通过，进入后方的耙吸头7装置中。

所述船体1内部，设置有固态垃圾回收箱5和湿垃圾回收箱6；

所述固态垃圾回收箱5，用于收集传送带2分离得到的固态垃圾。

所述传送链条2-1的输入端通过固定支架12安装在船体1前侧底部，与水面接触；

所述传送链条2-1的输出端安装在船体1前侧顶部，面向固态垃圾回收箱5；

所述传送链条2.1的输出端与固态垃圾回收箱5之间设置有传递滚排4，用于将传送链条2.1输出的固态垃圾传递至固态垃圾回收箱5内。

在本实施例中，传递滚排4有多个并排设置的滚筒构成。各滚筒的两端通过安装架4.1 安装在传送链条2.1的输出端和固态垃圾回收箱5之间。

所述旋转耙头3，包括：第二滤网3.1和滚轮3.2；

每个滚轮3.2上，周向布置有多面第二滤网3.1；

所述滚轮3.2带动对应的各第二滤网3.1绕水平面垂直方向旋转，使水面上的固态垃圾和湿垃圾聚拢流向至传送带2。

每个旋转耙头3都通过对应支撑支架11，固定安装在靠近传送链条2-1输入端的一侧；

所述靠近传送链条2-1输入端的一侧为传送带单元2的输入侧。

在本实施例中，第二滤网3-1与滚轮3-2通过铰链与支撑支架11相连，用于聚集船体 1前方的所有垃圾。滚轮3-2通过船体1内部设置的电机驱动。

所述耙吸头7的输入端设置有第一感应装置，用于检测耙吸头7内湿垃圾的聚集量；

所述传送带2上设置有第二感应装置，用于检测传送带2上固态垃圾的聚集量；

所述第一感应装置和第二感应装置分别与电力单元和控制单元相连。

所述湿垃圾回收箱6，用于收集离心机10分离得到的湿垃圾；

所述固态垃圾回收箱5内安装有检测固态垃圾重量的第三感应装置；

所述湿垃圾回收箱6内安装有检测湿垃圾重量的第四感应装置。

在本实施例中，所述耙吸头7的输入端设置有第一感应装置，用于检测耙吸头7内湿垃圾的聚集量；

所述传送链条2-1上设置有第二感应装置，用于检测传送链条2-1上固态垃圾的聚集量；

所述第一感应装置通过检测湿垃圾的聚集量，控制耙吸头7的吸力；

所述第二感应装置通过检测固态垃圾的聚集量，控制连接滚轮2-2的转动速度；

所述第一感应装置和第二感应装置，还用于控制旋转耙头3转动速度和所述回收船的行驶速度。

所述耙吸头7的输出端一次通过过滤导管8和连接导管9与离心机10的输入端相连；

所述船体1内设置有湿垃圾回收箱6；

所述离心机10的输出端连通湿垃圾回收箱6；

所述耙吸头7设置有水泵，用于将湿垃圾吸入耙吸头7内。

在本实施例中，储存湿垃圾的耙吸头7安装在第一滤网2-3的下方，靠近传送链条2-1，以保证第一滤网2-3所通过的湿垃圾能过全部落入耙吸头7中，保证垃圾回收的高效性。在耙吸头7和连接导管9之间装有过渡导管8，减少耙吸头7和连接导管9之间的湿垃圾的残留。离心机10通过连接导管9和耙吸头7相连，中间通过水泵为水流提供动力，通过离心机10将湿垃圾与水体分离，再通过排水口将湿垃圾排至湿垃圾回收箱6，而分离出的水则排出船外。

如图5所示，所述风力发电装置12，包括：风机19和电机系统17；

所述风机19通过转动使电机系统17产生电源；

所述太阳能发电装置13为太阳能电板。

如图6所示，所述风机19包括：叶轮前端22和多个叶片20；

所述叶轮前端22上开设有多个均匀的轮毂23；每个轮毂23上安插有一个叶片20。

所述叶轮前端22的后部与电机系统17相连，所述电机系统17，包括：轴承座17.1、主轴17.2、齿轮箱17.3、联轴器17.4和发电机17.5；

所述叶轮前端22的后部依次连接轴承座17.1、主轴17.2、齿轮箱17.3、联轴器17.4和发电机17.5；

所述叶片20转动，带动轴承座17.1转动将力矩依次通过主轴17.2、齿轮箱17.3和联轴器17.4传递至发电机17.5，使发电机17.5发电。

本实施例所述的混合动力式水面垃圾清理装置的控制方法，包括：

Step1、控制单元接收控制端信号；

Step2、控制单元控制第一电机，驱动船体1按照既定路线自动行驶；并且控制单元控制第二电机和第三电机，分别驱动传送带2以第一传送速度、旋转耙头3以第一旋转速度开始转动；

Step3、判定既定路线未完成后，控制单元通过第一感应装置反馈的湿垃圾的聚集量和第二感应装置反馈的固态垃圾的聚集量，控制传送带2和旋转耙头3的转动速度；具体地：

Step3.1、若湿垃圾聚集量大于零，小于第一湿垃圾聚集量阈值，且固态垃圾聚集量都大于零，小于第一固态垃圾聚集量阈值时；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带2以第二传送速度、旋转耙头3以第二旋转速度转动；所述第二传送速度大于等于第一传送速度，所述第二旋转速度转动大于等于第一旋转速度；

在本实施例中，湿垃圾聚集量大于零，小于第一湿垃圾聚集量阈值，且固态垃圾聚集量都大于零，小于第一固态垃圾聚集量阈值时，表示检测到水面上有垃圾，需要开始清理；如果一直没有检测到垃圾，则返回Step2。

Step3.2、若在第一预定时间段内，湿垃圾聚集量的平均值大于第一湿垃圾聚集量阈值，固态垃圾聚集量的平均值大于第一固态垃圾聚集量阈值；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带2以第三传送速度、旋转耙头3以第三旋转速度转动；所述第三传送速度大于第二传送速度，所述第三旋转速度大于第二旋转速度；

在本实施例中，当垃圾混合物量增加后，就需要增加传送带2和旋转耙头3的转动速度。

Step3.3、若在第二预定时间段内，湿垃圾聚集量和固态垃圾聚集量都为零；

则分别控制第二电机和第三电机，使传送带2和旋转耙头3停止转动。

在本实施例中，若在某一时间段内，湿垃圾聚集量和固态垃圾聚集量一直为零，那么就表示，检测到水面上的垃圾混合物已经清理干净，若否，则返回Step2。

在本实施例中，若判定路线已完成，则清理结束，返航。

Step4、控制单元控制通过第三感应装置反馈的固态垃圾重量和第四感应装置反馈的湿垃圾重量，判断垃圾是否超重；若超重，则清理结束。若未超重，返回Step2。

在本实施例中，控制端信号分为自动巡航信号和手动巡航信号。控制端采用无线信号传输，实现对控制单元103的控制。

上述Step1～4具体针对控制单元104接收到自动巡航信号后所执行的步骤。针对控制单元104接收到手动巡航信号后，无需判段既定路线是否进行完成，也无需判断垃圾是否清理干净。

本实施例具有以下有益效果：

①创新的实现水上垃圾的固流分类回收(固态垃圾和流态垃圾)；

②可再生清洁能源驱动，节能污染小；

③固液垃圾可同时收集，回收效率高效；

④控制器可控制蓄电池的工作状态，蓄电池寿命长；

⑤无人船清洁垃圾，减少人力耗费，消除了人为工作安全隐患；

⑥风光能源取之不尽、用之不竭，船体整体寿命长，成本低；

⑦传感器可根据实际情况调整装置工况，装置的可持续工作时间长。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。