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1、摘要 為處理當下缺少高功效、高安全系數(shù)的撈取設備而給水表面雜物撈取帶來的問題，設計一款水表面雜物清除人工智能模型。該模型融入無線操控、單片微控制器掌控、馬達伺服掌控及脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，PWM)等掌控工藝，通過部件的選型及理論計算，得出具體產(chǎn)品構造。檢測結果證明：該模型能達到人船分離、遠程掌控的集中模式，可擴張式側網(wǎng)增加捕撈面積，節(jié)約很多的人力和物力資源，切實處理水區(qū)雜物撈取難題。:設計一種新的的水面打掃人工智能。把指南針引入主動掌控體系,達到了螺旋前進轉動,大大簡化了運行流程。操作時只需用操控器設定它的旋轉半徑和前進方向,就可以主動地完成水表面打掃任務。由于

2、采納了柔性舵,轉向更靈敏,從而保證了它具有良好的機動性。經(jīng)過檢測取得了良好的效果。智能打掃人工智能集機械學、電子工藝、變送器工藝、計算機工藝、掌控工藝、人工智能等諸多科技為一體，不僅是一種環(huán)保、智能型的服務人工智能，還具有良好的應用前景和廣泛的商業(yè)價值需要，近年來智能打掃人工智能的發(fā)展和應用受到國內(nèi)外的廣泛重視，其工藝越來越成熟，應用也越來越廣泛。 關鍵詞：吸入式 清潔 人工智能  abstract In order to deal with the problem caused by the lack of high efficiency and high safety fa

3、ctor fishing equipment, an artificial intelligence model of water surface debris removal is designed. The model integrates wireless remote control, single chip microcontroller control, motor servo control and pulse width modulation (PWM) control technology. Through the selection of components and th

4、eoretical calculation, the specific product structure is obtained. The test results show that the model can achieve the centralized mode of separation and remote control between man and ship, increase fishing area by expanding side net, save a lot of manpower and material resources, and effectively

5、deal with the problem of fishing debris in water area. Design a new artificial intelligence for surface cleaning. By introducing the compass into the active control system, the spiral forward rotation is achieved, which greatly simplifies the operation process. When operating, the water surface clea

6、ning task can be accomplished actively only by setting its rotation radius and forward direction with the remote controller. Because the flexible rudder is adopted, the steering is more sensitive, thus ensuring its good maneuverability. Good results have been achieved after testing. Intelligent clea

7、ning artificial intelligence integrates mechanics, electronic technology, transducer technology, computer technology, control technology, artificial intelligence and many other technologies. It is not only a kind of environmental protection and intelligent service artificial intelligence, but also h

8、as good application prospects and extensive commercial value needs. In recent years, the development and application of intelligent cleaning artificial intelligence has received extensive attention at home and abroad. Its technology is more and more mature, and its application is more and more exten

9、sive. Key words: inhaled clean artificial intelligence  目錄 緒論 4 1.1選題意義 4 1.2打掃人工智能國內(nèi)外發(fā)展狀況 5 1.2.1國內(nèi)相關鉆研情況 5 1.2.2國外相關鉆研情況 6 2.作品內(nèi)容簡介 7 2.1設計內(nèi)容及目標 7 3.水表面浮起物清除人工智能 8 3.1水表面人工智能主要構造 8 3.1.1　動力驅(qū)動和傳動系統(tǒng) 9 3.1.2　撈取系統(tǒng) 9 3.1.3　掌控體系 10 3.1.4機器人流線型外形 12 4.水面清理機器人控制系統(tǒng)的整體方案 12 4.1硬件電路設計 14

10、 4.1.2微處理器 15 4．2太陽光 21 5.體系語言程序總體構造 23 5.1主掌控器模塊語言程序設計 23 5.2馬達驅(qū)使與掌控指令序列設計 24 6.操作流程 25 7.總結 26 致謝 28 參考文獻 29 緒論 1.1選題意義 在現(xiàn)實日常中有許多水源,如河水、人工湖、淺水表面、海水浴場等,水表面上都浮起著塑料袋、泡沫、過量的水藻、樹葉等很多雜物,嚴重影響著人們的健康日常和生態(tài)的美麗?，F(xiàn)在已有的大型撈取船所占空間大、費用高,需要多人同時協(xié)同操作,而且不能進入小區(qū)域?qū)嵤迫〔僮?。在很多小型區(qū)域水表面上依然是依靠人工撈取雜物,而人工撈取操作難度和勞動強度都

11、很大。為了處理這一問題,我們設計制作了水面打掃人工智能。它具有費用低、所占空間小、運行靈活等優(yōu)點,非常適合在小型區(qū)域進行撈取打掃作業(yè),而且達到了主動化的掌控,運行人員只需利用操控器設定兩個實際操作參數(shù),水面打掃人工智能就可以主動完成水面的打掃任務。水表面打掃人工智能是一種主要用于在近?；蚪雍瓷霞兴砻娓∑鹞镫s物的環(huán)保設備，同時又能夠根據(jù)任務的要求，搭載測深儀、流速儀、GPS接收機、攝像頭等，用于替代人工完成港口、航道、海濱、灘涂等水區(qū)的生態(tài)監(jiān)測、水文通訊采集和水表面搜救等危險作業(yè)。當下，江河湖泊的水表面打掃操作以人工為主，缺乏高智能度、靈活性和機動性強的水表面打掃人工智能體系。因此，開發(fā)

12、一種集掌控體系與上位機通信于一體的水表面打掃人工智能掌控體系具有深遠的理論意義和應用價值[1-2]。隨著工業(yè)的發(fā)展，人們在注重經(jīng)濟的同時忽略了生態(tài)污染問題，其中塑料污染尤為嚴重。“五水共治”后，雖然城市主要水路干道上的雜物少了很多，但仍然存在塑料浮起物，對河內(nèi)的生態(tài)影響巨大。在很多旅游景區(qū)，各色的塑料制品充斥著整個水表面，嚴重影響了觀賞性，甚至破壞文物，對歷史建筑影響也很大。對水中雜物的清除，我國還停留在人工清除階段。比如在一些景區(qū)內(nèi)，大多數(shù)都是人工用網(wǎng)兜集中，但是只能集中距離岸邊幾米的區(qū)域，并不能集中水區(qū)中心的區(qū)域，并且集中起來十分困難。而在城市的內(nèi)河，人們開著船用捕撈網(wǎng)清除，耗時耗力。從當

13、下的實際情況來看，我國亟需一些主動化水平較高、集中容易、運行不復雜的設備，以減輕人們的操作壓力和提高操作功效。當下，國內(nèi)現(xiàn)有的水表面雜物清除人工智能，主動化水平高，價格昂貴，還不能廣泛應用。針對人工撈取的缺點，筆者設計一種水表面雜物清除人工智能模型，采納無線遙感掌控，主動化水平較高，能便捷快捷地主動完成集中動作，并且回收箱容量較大，構造不復雜，保護便捷，價格低廉，運行容易，非常實用，適用于很多城市內(nèi)河、旅游景區(qū)等地點。 1.2打掃人工智能國內(nèi)外發(fā)展狀況 1.2.1國內(nèi)相關鉆研情況 黑龍江八一農(nóng)墾學校堯李慧、田雷與黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學鉆研院蔡曉華、侯云濤對牛舍打掃人工智能的構造與避障設

14、計進行分析與鉆研，并結合迂回式路徑規(guī)劃運算和靠墻或牛欄等障礙物的避障策略，達到打掃人工智能對牛舍的全方位清掃操作。中國計量學校的鄭哲恩、孫堅、沈斌，利用工業(yè)相機拍攝粉塵，經(jīng)過MALTAB處理之后對粉塵面積進行計算，并利用打掃人工智能進行打掃，根據(jù)打掃功效計算得出打掃人工智能的打掃性能。解放軍理工學校國防工程學院茅靳豐、朱國棟、張虎、宋威，根據(jù)風管人工智能視覺檢測體系的構成，包括照明體系、攝像頭、圖形和影像采集卡、圖形和影像采集語言程序以及圖形和影像分析語言程序，利用Matlab的圖形和影像處理功能對采集到的風管內(nèi)部圖形和影像進行預處理，并依據(jù)特定的運算對其打掃度進行評估。東南學校的陸曉敏，吳浩

15、真，韓可炯，秦家晨設計了一種基于MSP430f149的智能打掃人工智能體系。人工智能依靠車體的風機設備吸附在玻璃上，可以主動完成路徑規(guī)劃、探測窗戶的邊角距離、主動打掃窗戶。達到應用設計的人工智能來代替人進行高空作業(yè)，在高層建筑中對外壁玻璃上的粉塵和其他污物進行打掃。東北林業(yè)學校的王振秋、薛建琪、張宇崴、狄海廷針對變直徑桿件，設計一種爬桿打掃人工智能。模擬人的上肢和下肢，輪流夾緊桿體，在曲柄連桿機構的驅(qū)使下，達到人工智能的攀爬轉動，在人工智能攀爬流程中達到主動打掃。廣東工藝師范學院天河學院的陳朝大和廣州航海學院的呂志勝針對紅外避障檢測和絕對定位的局限性，對智能尋跡的打掃人工智能進行鉆研。人工智能

16、采納超聲波變送器配合伺服馬達構成主動避障體系，對室內(nèi)未知生態(tài)進行探測，提出了多路徑融合規(guī)劃掌控運算，使人工智能能夠完成自主全區(qū)域覆蓋行走。由此可見，國內(nèi)智能打掃人工智能鉆研主要集中在對障礙物的躲避以及特別區(qū)域的打掃方面，鉆研應用范圍主要包括高空打掃、管道打掃、牛舍打掃等，對更為復雜生態(tài)的打掃能力檢測方面鉆研較少，利用靜態(tài)圖形和影像進行分析和評估以及終端特別機械機構的設計是當下主要的工藝鉆研方向。 1.2.2國外相關鉆研情況 由新加坡國際和南洋理工學校掌控專家Elid開發(fā)的人工智能工藝體系Outobot，展示了一個能夠打掃和油漆高層建筑外部的人工智能，聲稱提供一個更安全和更有效的替代人工打掃

17、的方法，打掃水平達到了一個新的標準。韓國的Jin-HoSuh等人發(fā)明了一種更為高效的水下清洗人工智能研制平臺，平臺可用于研制和設計可滿足應用在工業(yè)打掃操作領域中的水下清洗人工智能性能，所開發(fā)水下打掃人工智能的方法，可用于達到清洗不同類型的工業(yè)水箱的功能。英國的并鉆研人工智能末端執(zhí)行器的主要構造，設計出符合體系要求的終端。英國的Konstantinova博士的打掃人工智能指尖工藝在瑪麗女王的先進人工智能中心展示。其通過應用車載攝像機和激光來創(chuàng)建地圖，掃描靜態(tài)物體，而忽略了諸如人或?qū)櫸镏惖摹皠討B(tài)”物體，從而學習新的生態(tài)。通訊存儲在人工智能的硬盤驅(qū)使器中，可以被編程來拾取特定的東西。斯里蘭卡開放學

18、校機械工程學院的H.G.T.Milinda等人鉆研了地板打掃泥和臟污分離法的人工智能。提出了一種檢測方法，應用攝像機圖形和影像辨識在紋理表面上的各種污垢。這個運算的目的是去除圖形和影像的規(guī)則部分，頻譜殘差濾波只留下污垢和一些噪聲，提出一種在地板上鑒定泥漿的新方式。并隨著進一步的后處理，可以在圖形和影像中對多種污垢進行定位。SumroengritJakkrit等人提出了基于amethodoflaser的浮起雜物表面檢測人工智能，對事先未知位置的垃圾進行尋找。該方法基于激光折射和反射的原理，提出了基于激光工藝的浮起物檢測方法。工JoshuaD.Langsfeld等人提出了一種方法來估計彈性變形物體

19、的剛度特性，同時在人工智能清洗體系中進行處理。人工智能體系利用其當前的部件變形行為模型來規(guī)劃抓取和清洗臂的動作，并試圖通過在基本單元上應用少量抓取位置的計劃來盡量減少整個清洗時間。采納有限元方法對基本單元變形進行建模，提出了一種修正模型剛度參數(shù)的通用更新運算，以適應在清洗流程中觀測到的變形數(shù)據(jù)。這使得體系能夠很快地找到正確的位置來掌握基本單元，以盡量減少變形。 2.作品內(nèi)容簡介 2.1設計內(nèi)容及目標 旅游景區(qū)、城市內(nèi)河等狹長的靜水水區(qū)由于缺少專業(yè)的水面雜物集中設備，使水面雜物的撈取困難重重。針對上述水區(qū)，筆者設計的水面雜物清除人工智能(如圖1所示)融入了無線操控工藝，結合單片微控制器、馬

20、達伺服及PWM掌控工藝達到體系、可靠、精確地掌控。體系具有安全可靠、運行不復雜、集中徹底、功效高和撈取范圍廣等優(yōu)勢。作品總體效果如圖1所示。作品具體特點如下：1)除水量大、行駛平穩(wěn)、集中空間大。根據(jù)集中雜物具體功能的要求，在設計殼體時，綜合考慮吃水量，盡量將集中空間加大，使之具有轉向迅速、行駛平穩(wěn)、相同水區(qū)范圍內(nèi)除水量大等。2)改進的可擴張式集中過濾網(wǎng)。改進了殼體集中的過濾網(wǎng)，使之能根據(jù)操作量張開或收縮集中過濾網(wǎng)的大小。3)人船分離的集中模式。通過引入無線操控工藝，達到了人船分離的集中模式，消除了人工集中帶來的潛在危險，還節(jié)約了很多的人力、物力和財力。 3.水表面浮起物清除人工智能 3.1

21、水表面人工智能主要構造 水表面浮起物主動清除人工智能，包括殼體及殼體的前后兩側分別設置的前閥門和后閥門，且殼體中設有screen mesh。殼體的內(nèi)部為用于放置screen mesh的主艙室、殼體前艙、殼體后艙、片體內(nèi)隙、船艙側隙構成；前艙閥門的啟閉型式為滑移式，并且殼體前艙和殼體后艙通過船艙側隙連接。殼體底部安裝有斗狀套筒，斗狀套筒末端與水泵注水口相連；在水泵出水口安裝electromagnetic valve，在殼體底部后側對稱安裝兩個水下推進器；且水下推進器上都設有推進器螺旋槳。殼體與人工智能上蓋通過U型滑槽滑動連接，人工智能上蓋前端設置有激光雷達變送器，殼體后艙內(nèi)設置有掌控設備；且掌

22、控設備為掌控在殼體底部的水泵操作，還掌控著水下推進器的轉速，殼體前艙里安裝超級電容量[2]。達到光能補充電量和內(nèi)置電板儲電的互換，通過無線電無線操控、自主掌控互換的方式達到清除雜物的智能化。 3.1.1　動力驅(qū)動和傳動系統(tǒng) 水面打掃人工智能操作時撈取操作與螺旋前進同時進行,為了減少馬達的數(shù)量,提高續(xù)航能力同時降低生產(chǎn)費用,殼體的動力驅(qū)使部分共用一個馬達。傳動體系由兩條傳動路線構成,其中一條傳動路線是直流減速馬達輸出的轉矩驅(qū)使圓錐齒輪,經(jīng)過兩對圓錐齒輪傳動改變方向后驅(qū)使螺旋槳,推進殼體不斷向前行駛;另一條傳動路線是減速馬達輸出同時驅(qū)使主動小鏈輪,通過鏈傳動驅(qū)使撈取機構的主動鏈輪。撈取機構

23、的左右兩撈取大鏈輪安裝在同一根軸上,保證了左右兩撈取鏈的同步轉動。 3.1.2　撈取系統(tǒng) 撈取體系達到的功能是將雜物從水表面撈進雜物筐,其構造如圖5所示。該撈取機構有9排撈桿,猶如坦克的履帶,撈取時像傳送帶一樣不斷的把雜物撈起。撈取機構采納兩條不銹鋼鏈條,在鏈節(jié)上有固定板。左右固定板上連接有鋁板作為支撐板,支撐板上固定有多個撈桿,用于撈取大塊泡沫、樹枝等。在撈取機構的上表面,蒙有紗網(wǎng),用于過濾水藻等細小浮起物。為了保證體系能夠可靠的操作,進行了優(yōu)化設計并采取了如下措施:撈取機構設計為折疊式,不用時可以折疊于殼體上方節(jié)省空間;撈取機構采納弧狀導向軌道,撈桿上套有剔片,剔片在隨撈桿進行撈取轉動

24、的同時,還沿著弧狀導向軌道所給定的方向不斷上下轉動,將纏繞在撈桿上的雜物向上剔除干凈,防止塑料袋等纏繞在撈桿上,保證整個體系可以可靠操作(也可用流體或高壓氣體達到這一功能)。 3.1.3　掌控體系 水面打掃人工智能的掌控體系由單片微控制器體系、加速檢測電路、操控電路和電控器件等構成。與之相對應的還有掌控體系的執(zhí)行器,采納多個參數(shù)不同的直流減速馬達,用于驅(qū)使柔性舵轉向和加速檢測開關繞指南針中心軸線轉動。指南針掌控器構造如圖6所示,當水面打掃人工智能螺旋前進時,殼體轉向但指南針的指向不變,加速檢測變送器相對殼體固定,在某一確定位置時加速檢測變送器能夠檢測到信號,就會將串聯(lián)在馬達兩端的電阻短路,

25、使馬達加速,殼體瞬間加速完成螺旋前進轉動(或是采納PWM方式掌控馬達,通過改變占空比使馬達瞬間加速)。如圖7示,指南針所指的方向不變,由于殼體在舵的轉向功能下繞某一轉向中心旋轉,加速檢測變送器隨殼體一起轉動。每當殼體運行到向右行駛時,加速檢測變送器總能檢測到指南針頭部的遮光片,于是加速檢測變送器輸出信號,掌控電控器件將電阻短路或提高馬達掌控脈沖的占空比,使馬達加速,進入下一個旋轉流程。如此反復,就可以使水面打掃人工智能在旋轉的同時還有一個螺旋前進的總方向。改變加速檢測變送器與殼體的相對位置,就可以改變殼體螺旋前進的總方向,如圖8所示。減速馬達相對于殼體固定,當它轉動時,轉軸帶動底板和加速檢測變

26、送器一起轉動,但指南針和遮光板指向不變,這樣就改變了加速檢測變送器與殼體的相對位置,從而改變加速檢測變送器檢測到指南針輸出加速信號的位置,即殼體處于加速時所面對的方向不同,其效果就是改變了殼體螺旋前進的主方向。轉向舵也采納操控掌控,用于設定其轉彎螺旋半徑,改變?nèi)嵝远娴钠D方向可以改變殼體的螺旋半徑值得說明的是,水面打掃人工智能的舵采納柔性舵,如圖9所示。舵受到流體的反功能力與流體方向改變的水平有密切關系,柔性舵可以更明顯的改變流體的流道,單位面積上可以獲得更大的反功能力,使殼體轉向半徑更小,靈活性更高。 3.1.4機器人流線型外形 為了減少人工智能在水下時，由于水體對人工智能表面造成的阻力

27、問題，提高水表面雜物清除人工智能在湖面、河水中的能動性。我們把該人工智能的外形構造為流線型外形，提出構思的想法和高速列車的車頭構造大致相同，對于流體有順流功能，以此來減少水中阻力對人工智能的能源消耗，同時也更加美觀【3】。如圖2所示，screen mesh的頂部為通過船艙側隙表面上設置的screen mesh扣固定，整體側面都為流線型外型。 4.水面清理機器人控制系統(tǒng)的整體方案 通常來說,雜物在水表面上的分布是不均勻的,如圖1所示。若是采納直線式往復轉動的軌跡撈取,由于雜物相對于水表面有一定的漂移,撈取效果不好,操縱人員需要根據(jù)雜物分布不均勻的情況不停地來回操縱,費時費力,且對器械損害

28、較大。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),螺旋前進轉動的軌跡是比較理想的,這種轉動軌跡具有漸進性,只要設定旋轉半徑和螺旋漸進方向即可,簡化了操縱流程,而且同一區(qū)域的水表面可以被打掃多次,打掃效果較好,如圖2所示。設計要求人工智能能夠主動完成螺旋前進轉動,并且螺旋半徑可以調(diào)節(jié)。僅改變轉向舵的角度只能使殼體繞某一中心的旋轉,并不能達到殼體沿某一方向偏移前進。曾經(jīng)過分析論證后,將指南針引入殼體的主動掌控體系中,運用了指南針指向不變的理論,在殼體轉到某一確定位置時加速行駛,達到螺旋漸進轉動,如圖1所示，整套體系以實驗室前期開發(fā)的水表面打掃人工智能為載體，由于水表面作業(yè)時要求穩(wěn)定性高和負載能力大，將其設計成雙殼體構造，同時搭載

29、蓄電板和光能光伏板。體系共有三個操作馬達，前方一個步進馬達用于雜物的集中，后方左右兩個直流馬達用于驅(qū)使殼體轉動。掌控體系接收上位機發(fā)送通訊并執(zhí)行相關指令掌控三個馬達操作，從而達到作業(yè)活動，同時將打掃人工智能的相關通訊進行整理，按照自定義的協(xié)議封裝后，通過RS485串口發(fā)送到監(jiān)控中心上位機，上位機還原數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)結果，并在由上位機語言程序編寫的掌控界面上顯示出水表面打掃人工智能的相關通訊.人工智能最上方安放光能電板板，作為供能體系；其正下方為人工智能艙體，分為集中艙、真空艙2個艙體。集中艙內(nèi)含雜物過濾網(wǎng)、直流潛水泵；真空艙內(nèi)含電瓶、主控板等，艙內(nèi)整體密封，以一真空鋼管引出艙內(nèi)線路，保證與外部

30、通信。艙體外部鑲嵌2部水下推進器；體外壁上部有2個注水口，與注水口同一水平線以鋼架固定著2個長方體浮臺，掌控人工智能懸浮位置及保證其平衡性[3]。人工智能懸浮于水體中，其表面兩側的注水口中線與水平面重合。通過掌控潛水泵排流體量，使得艙體內(nèi)水平面與外界水平面形成固定液位差，浮起雜物隨流體一起通過注水口被吸入艙體內(nèi)部的雜物過濾網(wǎng)，水體通過過濾網(wǎng)后，由水泵吸收排除人工智能艙體外，達到雜物與水體分離，如此反復循環(huán)，直至雜物箱收滿啟動報警，再通過遠程掌控讓人工智能返回更換雜物箱。 4.1硬件電路設計 由水表面打掃人工智能掌控體系的需要分析可知，其掌控體

31、系的硬件電路主要由馬達掌控電路、漏水檢測電路、外部看門狗、仿真下載模塊電路，RS485接口電路和電源掌控電路構成。馬達掌控電路主要用于對直流馬達和步進馬達的轉動進行掌控。漏水檢測電路用于保障人工智能的安全作業(yè)。掌控體系的硬件總體構造如圖2所示[3]。 上位機由一組4×4的矩陣鍵盤、NRF905通信模塊和LCD1602顯示屏構成。當在矩陣按鍵中輸入相應的鍵值，經(jīng)過單片微控制器的處理，將會將信號傳輸給NRF905通信模塊，由其將信號傳遞給下位機。位移變送器及角度變送器將信號傳輸至單片微控制器后，單片微控制器經(jīng)過運算處理計算出殼體所在坐標，通過NRF905模塊發(fā)送至上位機。電調(diào)、舵機、碳刷馬達用于

32、殼體驅(qū)使和轉向，如圖3所示。 4.1.2微處理器 微cpu是掌控體系的核心，決定著整個掌控體系的穩(wěn)定性和可靠性。綜合考慮體系對高速、低功耗和實時性的要求，故選用ATMEL公司的ATmega8535單片微控制器。A2.2直流馬達驅(qū)使模塊為了達到水表面打掃人工智能的前進、后退、轉向等轉動，需要掌控馬達的速度和轉動方向。永磁直流馬達的調(diào)速主要有兩種：馬達電樞串聯(lián)電阻或降低電源電勢差。馬達電樞串聯(lián)電阻的方法在低速時有容易不穩(wěn)定，不能連續(xù)調(diào)速等缺點，而降低電源電勢差，馬達的機械特性不變，調(diào)速要平滑的多。由于在一個PWM連續(xù)兩次出現(xiàn)所需時間里馬達兩端的電樞電勢差經(jīng)歷了正反兩次變化，其平均電

33、勢差可以用下式?jīng)Q定[5]： 由圖可見，它內(nèi)部集成了4個DMOS管，構成一個標準的H型驅(qū)使橋。通過補充電量泵電路為上橋臂的2個開關管提供柵極掌控電勢差。可在引腳1、11外接電容量形成第二個補充電量泵電路。引腳2、10接直流馬達電樞，正轉時電荷的定向移動的方向從引腳2到引腳10；反轉時電荷的定向移動的方向應該從引腳10到引腳2。輸出掌控信號引腳包括：轉向掌控引腳3、使能掌控引腳4（低電平有效）、PWM輸入引腳5。2.3步進馬達驅(qū)使模塊步進馬達是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。一方面，可以通過掌控脈沖個數(shù)來掌控角位移量，從而達到準確定位的目的；另一方面，又可以通過掌控脈沖頻率來掌控馬達轉動的速

34、度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進馬達通常是采納矩形波電荷的定向移動驅(qū)使，即步進馬達的細分驅(qū)使。該細分工藝實際上是一種電子阻尼工藝，可以減弱或消除步進馬達的低頻振蕩。細分驅(qū)使使實際步距角更小，可以提高定位精度，降低運轉噪聲，運行平穩(wěn)[7]。如圖4所示，步進驅(qū)使器共有三個信號端，分別為脈沖信號（PUL）、方向信號（DIR）和使能信號（ENA），將這三個信號端的正極分別與MCU模塊的PB3、PB1和PB0相連，負極接地，便可達到通流指令序列來掌控驅(qū)使器，終掌控步進馬達的目的。 4.2人工智能整體機械構造設計 人工智能構造如圖2所示 在人工智能的機械構造設

35、計流程中，需要保證人工智能抗水壓性能強和能穩(wěn)定懸浮于水表面且掌控水位差。筆者通過分析計算確定人工智能的機械構造、整體高度及質(zhì)量等具體設計指標。為保證抗水壓性能，筆者首先考慮2種模型：圓柱體艙體和長方體艙體。設薄膜應力在艙壁斷面均勻分布，且沿切向功能于表面，對于承受外壓的艙體，應力都是產(chǎn)生在艙體壁上。應力狀態(tài)是3維的，包括3個基本力：徑向應力rσ、軸向應力aσ、切向應力τσ。其中，徑向應力是壓力直接功能于艙壁的結果，并產(chǎn)生等于壓力的壓應力，在薄壁容器中此應力遠小于其他應力，故可忽略。圓柱體和長方體艙體靜載構造分析的結果如表1。 據(jù)相關資料顯示分析可以知道：圓

36、柱體艙體承受靜載強度明顯大于長方體艙體，具有良好的抗壓能力[4]，故選擇圓柱體艙體，以不銹鋼打造。然后考慮掌控水位差，據(jù)阿基米德物體浮沉定 律，功能于水中物體上的浮力的大小大于物體所排開水的質(zhì)量。此人工智能為圓柱體，底部和空腔都會受到水的壓力，這種壓力就是豎直向上的浮力，同時人工智能的四周也會受到水的壓力，但圓柱體以圓心為中心，整個艙壁所受壓力大小相等，方向相反，以微積分理論單位化拆分，相互抵消。掌控水位差的關鍵在于掌控水泵的除水量和速度，以及人工智能的吃水深度，在此以浮動平臺輔助掌控。此人工智能正常操作時懸浮在水表面，集中艙內(nèi)本身有一定水位高度，且不停有流體流入，故艙內(nèi)幾乎充滿水，提供的浮

37、力可忽略，主要由真空艙和浮動平臺提供浮力。根據(jù)參數(shù)計算：人工智能艙體、光能板支架、法蘭盤及固定浮動平臺和水下推動器的鋼架質(zhì)量共為8kg，光能板質(zhì)量為2.5kg，備用電瓶質(zhì)量為13kg，總計23.5kg，真空艙高度h為150mm，半徑r為170mm，由 浮排液可得，真空腔可承載約13.62kg，約9.88kg需以高分子聚乙烯制成的浮動平臺提供浮力，把浮動平臺固定于集中艙艙壁入水口兩側，提供浮力掌控吃水深度，同時保持人工智能的平衡，浮動平臺每平方米可承載325kg，物體質(zhì)量約7kg。通過x/9.88=7/325和實際測量結果，筆者取2個約0.11kg的長方體固定于入水口兩側，為防止形成死角，再以

38、弧形塑膠膜銜接入水口和長方體壁，由此在人工智能入水口處形成一個弧型范圍，此方法能削弱該范圍的水波干擾，同時也防止雜物“跑開”，減小了其不穩(wěn)定因素，使得雜物順利流入入水口，進入集中設備。2.2能源體系 因需要清除的水區(qū)絕大部分處于戶外且無遮擋物，故大多時候能接收到太陽光，在此，筆者采納光合硅能光能電板板給12V，38ah蓄電板光能電瓶補充電量作為主要供能體系。把光能板以支架固定在人工智能艙體上方，接收太陽光，經(jīng)室外測量，此30W單晶硅光能發(fā)電池光電轉換功效約12%，穩(wěn)定條件下高達18%，同時通過溶膠凝膠法高質(zhì)量鍍膜，保證高發(fā)電量和長期穩(wěn)定性，轉換的電荷的定向移動通過穩(wěn)壓電路整流濾波存儲于電瓶，

39、若遇持續(xù)陰雨天，電瓶亦可人工補充電量；因此，該人工智能續(xù)航能力極強，可全天持續(xù)操作于水區(qū)，無光照大約連續(xù)操作4.5h，可有效利用資源。 動力體系此人工智能以2個12V，功率90W的水下推進器作為動力體系，推進器以O圈密封，在水中最大轉速n可達2200r/min。推進器構造如圖3所示 雜物集中體系 雜物集中構造的設計利用了物理學及流體學理論，集中理論構造如圖4所示 在集中艙底部放置潛水泵，電控器件連接水泵，結合操控通信工藝，以主控板Arduino掌控電控器件達到遠程掌控水泵開關，水泵有向上除水和向下除水2種操作方式，水泵正上方放置3D打印的過濾網(wǎng)，此過濾網(wǎng)利用光固化和紙層疊等方式快速

40、成型，打印精度和集成度較高。當人工智能懸浮于水表面操作時，在浮動平臺輔助下，外界水表面正好掌控于入水口中線，此時啟動水泵開關，采納向下除水方式，設置好除水量以形成水位差，產(chǎn)生渦流并利用流水粘滯力將水和浮起的雜物一起卷入雜物過濾網(wǎng)中，經(jīng)沖力及過濾，水由除水管排出，而雜物留在過濾網(wǎng)桶內(nèi)，由此循環(huán)往復直至雜物積滿。當雜物桶積滿回到出發(fā)點后，操控掌控水泵向上吸水，可瞬間抽干集中艙內(nèi)的水，隨即集中艙提供巨大浮力，人工智能浮出水表面，便捷人工取雜物。如圖3，殼體的主艙室、殼體前艙、殼體后艙中都放置了很多screen mesh18進行水體中雜物的過濾，當殼體底部的水泵6操作，在水表面產(chǎn)生一個水勢差，流體通過

41、前后注水口進入主艙室22，此時船艙中的水被水泵從殼體抽出，水體中的雜物在screen mesh18過濾下留在screen mesh中，從而達到了水中雜物的集中。該設備過濾是利用可調(diào)節(jié)的screen mesh孔大小，把浮起物和水體分離的工藝。三面殼體的兩側偏上方孔徑略大于底面孑L徑，流體通過screen mesh時因流量差在艙體中出現(xiàn)小型漩渦，可加速水從水泵中抽出，底面screen mesh孑L可調(diào)為超小，水體流過screen mesh，水中浮起物因大于screen mesh孔徑而被吸附在船艙中，并且不會危及到水中微生物。同時可根據(jù)需要集中浮起物的不同大小，進行screen mesh孔徑的調(diào)節(jié)[

42、41。人工智能在結束浮起物清除操作后，由于該人工智能采納的光能板頂蓋和人工智能主倉室的拼接構造，只需將光能頂蓋拆下便可對貯藏室內(nèi)進行清除。與此同時還可以對主倉室內(nèi)過過濾網(wǎng)進行更換或者清洗，從而使得過過濾網(wǎng)內(nèi)部也能得到全面清除，使得該器械能通過更換過過濾網(wǎng)從而適合不同污染水平的水區(qū)，達到不同層次的清除效果圈。 4．2太陽光 電池設備眾所周知光能補充電量器因其打掃、便利等特點越來越廣泛地運用到各種儀器上。在睡眠浮起物主動清洗的人工智能上安裝一層光能集中板可以節(jié)約一定的能源，達到一定量的能源自供給MI。而太陽板的安裝的主要目的不僅僅在于能一定水平上地節(jié)約能源，在某些特別條件下，一旦人工智

43、能在水中能量耗盡無法取回，光能電板板則在這時起到了良好的能源集中功能，通過利用光能能力達到對電容量的補充電量，從而免去了撈取等不必要的操作。而光能電板板作為光能補充電量器中最為關鍵的部分，其設計也因此尤為重要。當下商業(yè)價值上價格適中，且光電轉化功效相對較高的因數(shù)晶硅光能電板板，其補充電量功效可以達到20％以上。為了能盡可能多地提高人工智能能源自給能力，模塊式的晶硅光能電板板則是作為光能板設計的不二之選，通過模塊式的拼接可以最大水平上利用人工智能表面的面積，對人工智能上表面進行幾乎全面化的光能板包裹，從而充分提高光能集中板的能源供給能力【7】。具體構造如圖4所示。2．3備用能源超級電容量設備殼體

44、前艙9里安裝超級電容量，在體系中作為能量存儲設備。在光能供電缺點時向負載供電，在光能供電富余時吸收、存儲多余的能量。超級電容量是通過補充電量、放電的環(huán)節(jié)從而達到電能的儲存和供給。以前的電容量不可避免地會有著容量較小、儲存電能的能力弱等問題，所以不能作為電力能源的儲存容器。但近年來由于對電容量方面進一步的深入鉆研，部分電容量也逐步克服了以上問題，因此便催生出了“超級電容量”。超級電容量的迅速發(fā)展使得其迅速在能源儲備中占據(jù)一席之地。超級電容量這種新的的儲能設備，其容量達到上千法拉。并且其可多次重復補充電量且區(qū)別于傳統(tǒng)蓄電板具有一定污染，超級電板綠色環(huán)保。但超級電容量其歸根結底還是電容量，經(jīng)長時間的

45、操作，不可避免地也會出現(xiàn)漏電的現(xiàn)象，且由于電容量的電氣特性，其只適用于直流儲能并不適用于交流儲能。因此該水表面浮起物主動清除人工智能的操作電荷的定向移動為直流電。超級電容量的裝配可以將超級電容量的優(yōu)點充分體現(xiàn)在人工智能身上，不僅如此，通過日常的檢測以及定期的保養(yǎng)，超級電容量的漏電等不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生的幾率也會大大地減少181。作為濾波器，對光伏電板輸出的不穩(wěn)定的電能進行濾波，輸出穩(wěn)定的電能；與光伏陣列及單向DC／DC相配合，達到MPP，11(最大功率點跟蹤)[91。水面雜物清除人工智能的上蓋2l的側夾層2和后夾層19用于設置電荷的定向移動整流濾波等電路。具體構造如圖4所示。2．4electroma

46、gnetic valve檢測設備經(jīng)過濾的水儲存在殼體后艙中，當儲存到一定量時，產(chǎn)生的水壓通過感應設備使得水泵6產(chǎn)生轉動，水泵6轉動抽取后艙中的水，通過注水口的閥門開口大小的調(diào)節(jié)，對流量進行一個閉環(huán)掌控，從而使體系在不同負重下維持在一個平衡狀態(tài)。水中的雜物在screen mesh過濾下留在screen mesh中，從而達到了水中雜物的集中，過濾后的水被水泵從水底抽出。在水泵出水口設置有electromagnetic valve7(10l，掌控出水口的開啟和閉合，在水泵停止操作時候關閉，防止流體倒灌進入主艙室。推進器螺旋槳4和水下推進器主體5為殼體提供前進推動力，同時掌控設備的方向?】。2．5人工

47、智能水表面深度掌控該人工智能通過集中水表面浮起物達到凈化河水的目的，當然，隨著集中量的增加同時也會使得人工智能自身重力增大。如果在沒有足夠浮力支撐的情況下，人工智能則會因自身質(zhì)量的增加而下沉。而PID掌控器作為一種線性掌控設備【12】，它會根據(jù)預先設定好的給定值(深度)以及所處生態(tài)的實際值構成的掌控偏差，對偏差進行計算從而轉化為掌控信號給予相應的掌控器。通過對注水口的閥門開口大小進行調(diào)節(jié)，對通過除水閥的流量進行閉環(huán)掌控，從而使得該人工智能在水表面以上的高度維持恒定，保證了人工智能在集中浮起物時的操作生態(tài)【13】。 5.體系語言程序總體構造 考慮到體系的可移植性以及今后的保護和擴充，體系語言

48、程序采納C語言編寫，并采納全模塊化的設計思想[8]。3.1掌控體系指令序列的總體方案根據(jù)體系的功能需要分析和硬件模塊的設計結果，水表面打掃人工智能掌控體系對語言程序指令序列的需要主要是主控器模塊指令序列和其他子指令序列構成。其總體構造如圖5所示。主要由以下幾部分構成：主指令序列、內(nèi)部初始化指令序列、UART串口通訊指令序列、直流馬達掌控指令序列、漏水檢測中斷指令序列等。 5.1主掌控器模塊語言程序設計 水表面打掃人工智能體系的主指令序列如圖6所示，主控器通過通上電源并開機操作后，體系進行參數(shù)的初始化，分配端口地址，讀取兩個漏水檢測信號，隨后將根據(jù)上位機發(fā)送的指令，執(zhí)行馬達驅(qū)使模塊子指令序

49、列，改變馬達的轉速和方向，掌控馬達前進，后退和轉動，使水表面打掃人工智能進入操作狀態(tài)。 5.2馬達驅(qū)使與掌控指令序列設計 水表面打掃人工智能的轉動可由5個轉動掌控模塊來達到：前進forward－MC；后退backward－MC；左轉left-turn－MC；右轉right-turn－MC；停止stop－MC。而這5個轉動模式可通過掌控左右兩個馬達的轉動來達到。監(jiān)控中心對水表面打掃人工智能轉動的掌控，實際是對單片微控制器的掌控。要達到監(jiān)控中心與單片微控制器進行穩(wěn)定的通訊，必須進行通訊協(xié)議的設置。同時，基于此通

50、訊協(xié)議，在監(jiān)控中心和單片微控制器的指令序列中必須進行相應的編程，以終達到上、下位機的通訊。為保證單片微控制器正確執(zhí)行監(jiān)控中心發(fā)送的指令，避免體系出現(xiàn)誤動作，在通訊協(xié)議應設置開始位和結束位。各字符的定義如表1所示。 6.操作流程 當水表面浮起物主動清除人工智能操作時，由設置在殼體后艙14內(nèi)的掌控設備掌控，殼體底部的水泵6I作，在水表面產(chǎn)生一個水勢差，流體通過前后注水口進入主艙室22，可通過水泵轉速和注水口的閥門開口大小的調(diào)節(jié)，對流量進行一個閉環(huán)掌控，從而使體系在不同負重下維持在一個平衡狀態(tài)。水中的雜物在screen mesh18過濾下留在screen mesh中，從而達到了水中雜物的集中，過

51、濾后的水被水泵6從水底抽出。在水泵出水口設置有electromagnetic valve7，掌控出水口的開啟和閉合，在水泵停止操作時候關閉，防止流體倒灌進入主艙室。水面雜物清除人工智能通過蓋子21頂部和側面安裝的光能電板板13產(chǎn)生電能，為馬達和水泵的操作提供可靠動力。船底對稱安裝的兩個水下推進器4【Ⅷ，為人工智能在水表面的航行提供動力，并且可通過二者的轉速差來調(diào)整小船的姿態(tài)，方向。殼體前艙9里安裝超級電容量，在體系中作為能量存儲設備，在光能供電缺點時向負載供電，在光能供電富余時吸收、存儲多余的能量。并且人工智能采納了激光雷達避障的方法㈣，當人工智能前方出現(xiàn)障礙物時，能準確、靈敏地監(jiān)測到并做出相

52、應的反應。具體功能達到設備如圖6所示。雜物集中流程：首先，運行人員通過操控器發(fā)出信號，打開前面的集中過濾網(wǎng)，殼體行駛至雜物旁邊，使殼體水區(qū)前面的雜物在集中過濾網(wǎng)范圍內(nèi)；接著，運行人員觀察集中到一定量雜物后，發(fā)出集中雜物信號，通過舵機的驅(qū)使使側網(wǎng)收回；然后通過大扭矩舵機帶動連桿使過濾網(wǎng)向上抬升，同時殼體靠攏，直到過濾網(wǎng)至殼體上方，此時過濾網(wǎng)翻轉將雜物回收到雜物儲存?zhèn)}內(nèi)，當?shù)竭_延時時間時，過濾網(wǎng)和連桿回到操作預備狀態(tài)；最后，當觀察到雜物倉裝滿后，運行返航到指定雜物回收場地回收雜物。如此便完成了整個雜物集中流程。　應用時,把水面打掃人工智能放入需要打掃的水表面上,打開電源。調(diào)整柔性舵改變殼體的螺旋半

53、徑,使它適合浮起物的分布寬度;隨后調(diào)整加速檢測開關相對與殼體的位置,改變加速行駛的方向,使螺旋前進主方向與水表面浮起物的分布長度方向一致,從而主動完成水面打掃操作。 經(jīng)過測試，該體系可以達到主動清除水表面雜物和定點清除水表面雜物兩種功能。水表面主動打掃人工智能放入水表面后，通過舵機掌控殼體轉動方向，步進馬達通過給定角度的轉向用杠桿將雜物從人工智能前面撈取至人工智能后面的雜物筐里。當上位機給出具體坐標時，殼體可到達相應地點進行清除。由于殼體本身動力和所占空間有限，經(jīng)過測試，最多可承載10kg的雜物。 7.總結 本文分別從硬件和語言程序兩方面分析了水表面打掃人工智能掌控體系的設計，提出了一種

54、基于上位機和單片微控制器結合的掌控方案，使得整個水表面打掃人工智能掌控體系具有響應速度快、功耗低、實時性強的特點，提高了體系的穩(wěn)定性和可靠性。水表面打掃人工智能能較好的在上位機的掌控下達到水表面打掃作業(yè)活動，達到了較好的掌控效果。該吸入式水表面打掃人工智能克服了以往撈取船外形龐大、費用高、操作區(qū)域受限的缺點，適用于小型水區(qū)雜物撈取，符合“綠色環(huán)?！薄百Y源利用”“可持續(xù)發(fā)展”的理念，具有操作功效高、構造不復雜靈巧、適用面廣等優(yōu)點。隨著我國經(jīng)濟、工業(yè)的進一步發(fā)展，保護生態(tài)成了不可忽視的問題。該人工智能的產(chǎn)量化生產(chǎn)及應用，也將對我國水區(qū)清除起到重要意義。國內(nèi)對于河面、湖面等大面積封閉形水區(qū)的雜物清除

55、，大多數(shù)還停留在以船舶為基礎的人為撈取。這些撈取船的所占空間較大，對于特定小角落無法進行清除。以內(nèi)燃機為能源，費用較高，并且通過人工驅(qū)使船舶，具有一定的危險性。此類船舶撈取主要清除大形浮起物(如浮萍、藻類)。本文設備主要針對船舶無法撈取的小型浮起物，以screen mesh的操作理論進行對水體表面雜物的“二次進化”，。達到清除雜物的智能化，減少人工的參與，盡量避免工人在船外撈漂的危險，極大地提高安全系數(shù)，也不會危及到水中微生物，以光能為主要新能源進行節(jié)能。該設備設置可應用于環(huán)保部門和景區(qū)管理部門。能在全國各景區(qū)、湖泊、海港等水區(qū)完成雜物清除，對能量節(jié)約和生態(tài)保護作出巨大貢獻舊。所以該設備擁有良

56、好的經(jīng)濟和社會效益。 致謝 本論文是在我的老師某某教授的耐心指導下完成的。某某老師知識廣博、內(nèi)涵深遠、教導嚴謹、嚴格要求和和藹親切，不僅只是我學生道路的指路人，也成為了我人生的向?qū)?。他在這短短的時間里，讓我把學到的運用到實踐中和自主思考的習慣，對我未來的學習和操作路上產(chǎn)生了很大的影響。在此謹向某某老師表示最真誠的謝意和尊敬。其次，感謝學校里的老師和同學，在學習中他們幫了我很多，在日常中，同學和老師一直關心我和幫助我，他們的陪伴見證的我的成長。還要感謝我的親人，他們總是的支持著我的學習，激勵著我不斷努力，沒有他們就沒有我的今天。我會不辜

57、負父母的期望，在以后的學習、操作和日常中努力做到最佳。 最后，感謝為我答辯和評審的各位專家和評委，感謝你們對我提出的寶貴的建議和意見，感謝你們的批評和指正。謝謝！  參考文獻 [1]茅靳豐，朱國棟，張虎，宋威.風管清掃人工智能智能打掃度評估體系的鉆研[J].建筑熱能通風空調(diào)，2015,(1):37-41. [2]陸曉敏，吳浩真，韓可炯，秦家晨.高空打掃人工智能的設計與達到[J].電子測試,2017,(8):17-18. [3]陳朝大,呂志勝.基于智能尋跡的打掃人工智能掌控體系[J].機床與液壓,2015,(11):91-94. [4]堯李慧、田雷、蔡曉華、侯云濤.牛舍打掃人工智

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66、r surface, bathing beach, etc., and there are many plastic bags, bubbles, excessive algae and leaves on the surface of the water, which seriously affect people's health, daily life and ecological beauty. At present, the existing large-scale fishing vessels occupy a large space and cost a lot. They need many people to work together at the same time, and they can not enter a small area to carry out fishing operations. In many small areas, the surface of water still relies on manual fishing for deb