三棲救援除污機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、三棲救援除污機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要：由大扭力直流電機(jī)帶動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)、紅外傳感避障系統(tǒng)、基于STM32F103C8T6片機(jī)的限制系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、永磁交流微型發(fā)電系統(tǒng)、水陸兩棲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)1、無線攝像傳輸系統(tǒng)、太陽(yáng)能智能追光發(fā)電限制系統(tǒng)、除污系統(tǒng)九大系統(tǒng)組成的水陸空移動(dòng)救援除污環(huán)保 船.它不僅可以水陸兩棲自由運(yùn)動(dòng),在水中可由上下移動(dòng)清潔鏟清理水面漂浮垃圾,還可以 由永磁交流微型發(fā)電機(jī)借助風(fēng)力水力發(fā)電,帶動(dòng)LED閃爍驗(yàn)證其發(fā)電量.機(jī)器人上裝有智能陀螺儀式跟蹤器、光敏傳感器可感知太陽(yáng)具體位置,閉環(huán)限制,經(jīng)單片機(jī)限制系統(tǒng)處理后,限制跟蹤器旋轉(zhuǎn)尋陽(yáng),大大提升太陽(yáng)能的利用率.關(guān)鍵詞：三棲；救援除污；智能追光；STM

2、32引言當(dāng)今世界主要的能源是化石能源,主要有煤炭,石油,天然氣等,這些都是不可再生能源. 每年因各種化石能源開采帶來的災(zāi)難時(shí)有發(fā)生.然而,在這種情況下還在發(fā)生因資源短缺而 造成缺電問題,據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)已有 24個(gè)省市區(qū)嚴(yán)重缺電,缺電問題面臨20年來最嚴(yán)重時(shí)刻. 全國(guó)煤炭供給存在巨大缺口,各地用煤緊張,國(guó)內(nèi)不可再生能源緊缺.能源利用后產(chǎn)生大量 無法解決的有害氣體,嚴(yán)重污染大氣環(huán)境,損害人體健康.介于以上的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我們加以聯(lián) 想到了海洋.海洋含有大量可再生能源,多國(guó)目前也正大力研究.我們對(duì)此展開了討論、研 究和相關(guān)實(shí)驗(yàn).經(jīng)調(diào)查,我們了解到通過多種易被人們無視的能源波浪能、風(fēng)能加以回 收利用,以此來緩解

3、能源緊缺的問題,且風(fēng)險(xiǎn)小,不過度需求人力的參與,解放了勞動(dòng)力, 能源環(huán)保污染小.基于上述結(jié)論我們籌劃了一下水陸兩棲發(fā)電方案：以水陸兩棲底盤為主的驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行,內(nèi) 置永磁交流微型發(fā)電機(jī),通過水陸風(fēng)能、波浪能帶動(dòng)風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn),將風(fēng)能轉(zhuǎn)為機(jī)械能,風(fēng) 葉帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,整流后輸出,加之太陽(yáng)能輔助充電系統(tǒng),所得電 能傳輸后可用于家庭等供電系統(tǒng),加大了能源的利用率.此發(fā)電方式必將成為未來的一種發(fā) 展趨勢(shì),同時(shí)這種發(fā)電方式也為節(jié)能減排政策帶來了新的開展契機(jī).1設(shè)計(jì)方案1.1超聲波避障傳感器超聲波傳感器是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)第一款在產(chǎn)品上帶有按鍵設(shè)定功能和自診斷功能的小型傳感器.它雖然體積小,但是具

4、有其它大型傳感器所具有的功能,安裝使用方便而且不受被測(cè)物體的顏色影響,有許多特設(shè)功能,如：具有自診斷LED顯示和按鍵設(shè)定功能、溫度補(bǔ)償功能、可選擇模擬量或開關(guān)量輸出等；其供電電壓為1030V,測(cè)量范圍為30mm300m0俞出電壓0V10V輸出電流為4mA20mA最小負(fù)載阻抗2.5 Q ,精度可到達(dá)0.5mm外形分為直線型 和直角型,感應(yīng)口徑為18mm超聲波傳感器所具有的條件滿足設(shè)計(jì)所需要025cm的液位限制,以及液位誤差不超過± 0.3cm的要求,并且解決了安裝不方便的難題.所以本設(shè)計(jì)選擇了精度高,體型小的超聲 波傳感器.超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波.為了以超聲波作為檢測(cè)手段

5、,必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波.完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱為；超聲波換能器 或超聲波探頭.超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器,但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收 聲波的雙重作用.超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)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,那么將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信 號(hào).超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF (time of flight ).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,即其中D為傳感器與被測(cè)障礙物之間的距離,c為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率.

6、在空氣中 聲波的傳波傳輸速率,其中T為絕對(duì)溫度,在測(cè)距精度不是很高的情況下,一般認(rèn)為c為常數(shù) 340m/s.21.2光耦繼電器模塊光電繼電器模組是把電氣限制柜中的多組繼電器集成化、系列化、模塊化設(shè)計(jì),為設(shè)備節(jié)省 空間,減少了中間接線環(huán)節(jié),提升了效率及產(chǎn)品的性能.支持雙電源,到達(dá)信號(hào)與繼電器驅(qū) 動(dòng)隔離的目的,平安穩(wěn)定.當(dāng)限制電壓與繼電器限制電壓一致時(shí),可通過跳線帽將兩電源短路,使用單電源供電.光電繼電器指利用光電效應(yīng)而動(dòng)作的繼電器.它是由發(fā)光元件如 小型白熾燈、磷化錢二極管等和光敏器件構(gòu)成的.當(dāng)加在發(fā)光元件上的信號(hào)到達(dá)某一定值 時(shí),光的作用使光敏器件的阻值發(fā)生急劇變化,從而起到閉合或開斷電路的作

7、用.31.3太陽(yáng)能板輔助發(fā)電模塊太陽(yáng)能發(fā)電：現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟的發(fā)電模式.系統(tǒng)相互獨(dú)立,可自行限制,防止發(fā)生大規(guī)模 停電事故,平安性高；彌補(bǔ)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的缺乏,在意外發(fā)生時(shí)繼續(xù)供電,成為集中供電不 可或缺的重要補(bǔ)充；可對(duì)區(qū)域電力的質(zhì)量和性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,非常適合向農(nóng)村、牧區(qū)、山 區(qū),開展中的中、小城市或商業(yè)區(qū)的居民供電,大大減小環(huán)保壓力；輸配電損耗低,甚至沒 有,無需建配電站,降低或防止附加的輸配電本錢；土建和安裝本錢低；調(diào)峰性能好,操作 簡(jiǎn)單.太陽(yáng)能發(fā)電被稱為最理想的新能源.無枯竭危險(xiǎn)；平安可靠,無噪聲,無污染排 放外,絕對(duì)干凈(無公害)；不受資源分布地域的限制,可利用建筑屋面的優(yōu)勢(shì)；無需消

8、耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電；能源質(zhì)量高；使用者從感情上容易接受； 建設(shè)周期短,獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短.圖5太陽(yáng)能板太陽(yáng)能發(fā)電方式太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方式,一種是光一熱一電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光一電直接 轉(zhuǎn)換方式.(1)太一熱一電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電,一般是由太陽(yáng)能集熱器將所吸 收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣,再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.前一個(gè)過程是光一熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過 程是熱一電轉(zhuǎn)換過程,與普通的火力發(fā)電一樣.太陽(yáng)能熱發(fā)電的缺點(diǎn)是效率很低而本錢很 高,估計(jì)它的投資至少要比普通火電站貴 510倍.(2)太一電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng),將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能,光一電轉(zhuǎn) 換的根本

9、裝置就是太陽(yáng)能電池.太陽(yáng)能電池是一種由于先生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化 為電能的器件,是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)太陽(yáng)光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì) 把太陽(yáng)的光能變成電能,產(chǎn)生電流.當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比擬大的輸 出功率的太陽(yáng)能電池方陣了.太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型電源,具有永久性、清潔性 和靈活性三大優(yōu)點(diǎn).太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng),只要太陽(yáng)存在,太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期 使用；與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比,太陽(yáng)能電池不會(huì)引起環(huán)境污染由此在本作品平臺(tái)上加上的太陽(yáng)能光伏板,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的機(jī)械 能、動(dòng)能,為機(jī)器人源源不斷的提供動(dòng)力.太陽(yáng)能電池主要由硅、

10、神化錢、硒鈿銅等材料制成,它們地發(fā)電原理根本相同.以晶體硅為 例,當(dāng)太陽(yáng)照射到硅地外表時(shí),一局部光子地能量會(huì)被硅原子吸收,使原子內(nèi)地電子發(fā)生躍 遷,從而在材料內(nèi)部形成一定地電位差,這樣光能就轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存了起來.當(dāng)太陽(yáng)能電池 接通電路時(shí),電壓就可以產(chǎn)生電流流過外部電路了.本設(shè)計(jì)采用9V充電電池為系統(tǒng)供電,太陽(yáng)能電池板正負(fù)極通過一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相 連.有一個(gè)電壓比擬器比擬電池電壓與太陽(yáng)能板的壓差,如果壓差高于某值,比擬器限制三 極管導(dǎo)通,太陽(yáng)能電池板對(duì)充電電池充電.充電電池電壓上升,當(dāng)高于某值時(shí)限制三極管關(guān) 斷,結(jié)束充電.41.4電壓比擬器電壓比擬器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大的運(yùn)算放大

11、器.本設(shè)計(jì)采用 LM324其顯著 特點(diǎn)是：輸入阻抗高,再輸出阻抗低,起到緩沖、隔離、提升帶載水平的作用.圖6 LM393電壓比擬器簡(jiǎn)單的電壓比擬器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,靈敏度高,但是抗干擾水平差,因此我們就要對(duì)它進(jìn)行改良改良后的電壓比擬器有：滯回比擬器和窗口比擬器.電壓比擬器工作原理圖如圖7.圖7電壓比擬器電路原理圖2機(jī)械局部2.1 直流減速電機(jī) 直流減速電機(jī),即齒輪減速電機(jī),是在普通直流電機(jī)的根底上,加上配套齒輪減速箱.齒輪 減速箱的作用是,提供較低的轉(zhuǎn)速,較大的力矩.同時(shí),齒輪箱不同的減速比可以提供不同 的轉(zhuǎn)速和力矩.這大大提升了,直流電機(jī)在自動(dòng)化行業(yè)中的使用率.減速電機(jī)是指減速機(jī)和 電機(jī)馬達(dá)的集成體

12、.這種集成體通常也可稱為齒輪馬達(dá)或齒輪電機(jī).我們?cè)O(shè)計(jì)的水陸兩棲機(jī)器船采用伺服強(qiáng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng),超聲波避障模塊與STM32F103C8片機(jī)限制相結(jié)合進(jìn)行限制,實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的自由運(yùn)動(dòng),充分表達(dá)了本裝置的運(yùn)動(dòng)可行性.2.2 永磁交流微型發(fā)電機(jī)C8小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能首先經(jīng)過蓄電池貯存起來,然后再由蓄電池向用電器供電.利用 風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn),再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電.依據(jù)目前的 風(fēng)車技術(shù),大約是每秒三公尺的微風(fēng)速度微風(fēng)的程度,便可以開始發(fā)電. 5風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成.每一局部都很重要,各局部功能為：葉片用來 接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對(duì)著來風(fēng)

13、的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體 能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體,定子繞組切割磁力 線產(chǎn)生電能.6其具體尺寸如圖8.圖8發(fā)電機(jī)尺寸風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定,故其輸出的是 1325V變化的交流電,須經(jīng)充電器整流,再對(duì)蓄 電瓶充電,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能.然后用有保護(hù)電路的逆變電源,把電瓶里 的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電,才能保證穩(wěn)定使用.小型風(fēng)能發(fā)電裝置的原理圖如圖9；圖9發(fā)電機(jī)原理圖2.3 陀螺儀式跟蹤器 跟蹤器所具有的結(jié)構(gòu)：傳動(dòng)箱I安裝在支架上,并將其固定；馬達(dá)1安裝在傳動(dòng)箱I上,傳動(dòng) 箱I的內(nèi)部是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副,馬達(dá) 1輸出軸連接蝸桿,環(huán)形

14、支架安裝在支架上 面環(huán)形支架相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng)箱I的輸出軸連接環(huán)形支架,傳動(dòng)箱n固定安裝在 環(huán)形支架上,馬達(dá)2安裝在傳動(dòng)箱r上,傳動(dòng)箱r內(nèi)也是由蝸桿、蝸輪組成的運(yùn)動(dòng)副.馬達(dá) 2的輸出軸連接蝸桿,接收器安裝在環(huán)形支架上面 接收器相對(duì)于環(huán)形支架可以轉(zhuǎn)動(dòng),傳動(dòng) 箱R的輸出軸連接接收器.跟蹤器朝向安裝有很多種選擇,根據(jù)圖中所示的安裝,跟蹤器執(zhí)行的原那么如下：當(dāng)太陽(yáng)的光線偏離發(fā)生時(shí),所述限制局部會(huì)發(fā)出的信號(hào),此信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)2帶動(dòng)傳動(dòng)箱R中的蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)接收器輸出相對(duì)于支撐環(huán)旋轉(zhuǎn),跟蹤太陽(yáng)從東到西的運(yùn)動(dòng),在同一時(shí)間,限制 局部發(fā)出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)傳動(dòng)箱I中的蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn),第二次輸出帶

15、動(dòng)環(huán)支撐架 和接收器旋轉(zhuǎn),跟蹤太陽(yáng)北部和南部方向的運(yùn)動(dòng),從而最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的太陽(yáng)跟蹤.口具體機(jī)械原理如圖10所示；圖10跟蹤器本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.追蹤在兩個(gè)方向上,使用蝸桿和蝸輪副傳動(dòng),傳動(dòng)比 大,結(jié)構(gòu)緊湊,可以使用小功率電動(dòng)機(jī),且同一時(shí)間,使用小功率電動(dòng)機(jī),不僅降低能源成 本和制造本錢,而且提供足夠的電力；蝸桿蝸輪對(duì)自鎖性能好,可防風(fēng)防雨.結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn) 動(dòng)空間是很大的.傳動(dòng)裝置安裝在傳動(dòng)箱,受到了良好的保護(hù),提升了設(shè)備的使用壽命.3結(jié)論隨著社會(huì)的開展進(jìn)步,國(guó)內(nèi)大小產(chǎn)業(yè)能源用量必將加大,環(huán)境問題不容樂觀.本作品以節(jié)能 減排,低碳環(huán)保為突破點(diǎn).針對(duì)國(guó)內(nèi)能源利用率為出發(fā)點(diǎn),提出了相對(duì)

16、來說可行性高的解決 方案.此機(jī)器采用太陽(yáng)能智能追光發(fā)電系統(tǒng),配合多個(gè)永磁交流微型發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力水力發(fā) 電,所轉(zhuǎn)化的電能經(jīng)儲(chǔ)存裝置為機(jī)器人或其他電力設(shè)備供電,有效節(jié)約了能源,也減少了發(fā) 電給環(huán)境帶來的各中污染,充分符合節(jié)能減排的設(shè)計(jì)理念,此發(fā)電方式必將成為未來的一種 趨勢(shì),為節(jié)能減排政策帶來了新的開展契機(jī).參考文獻(xiàn)1吳珂,楊定富,趙又群.水陸兩棲汽車出入水特性研究J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2022,12:20-22.2孫濤.基于超聲波傳感器的工業(yè)機(jī)器人遺傳算法避障策略設(shè)計(jì)研究J.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2022(31):88-89.3藺金元,馬虎林,李居強(qiáng).基于單片機(jī)的太陽(yáng)能最大功率自動(dòng)追蹤系統(tǒng)J.寧夏工程技 術(shù),2022,01:16-18.4孫艷玲,羅友,張東濤.一種基于單片機(jī)實(shí)時(shí)顯示太陽(yáng)能充放電限制器設(shè)計(jì) J.電子器 件,2022,04:435-439.5陳榮.永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)研究D.南京航空航