一种多自由度太阳能跟踪智能除污船的制作方法

本发明涉及环保工具领域，具体是一种多自由度太阳能跟踪智能除污船。

背景技术：

近年来，水上漂浮垃圾污染问题层出不穷，大量漂浮垃圾的存在，不但破坏生态、影响水质、加重航道整治任务、有碍城市发展及旅游景点建设，还给生物造成了极大的伤害。传统水域垃圾清理方式的不足之处主要体现在：由于漂浮垃圾的复杂性，以及各地环境的特殊性，当前我国水域垃圾清理大多采用人工清捞的方式，不仅清理成本高，效率受环境等因素影响大，且存在清理工具简陋、作业过程安全系数低、机械化程度低等问题；水面清理的机器人等存在续航能力不足的问题。申请号为200910061675.6的文献公开了一种太阳能水面遥控清污船，采用了遥控技术，用太阳能作为动力源。采用遥控技术仍然需要人工操作船体的启动和停止等一系列动作，省力却不省时。太阳能作为动力源一定程度上减少了污染，但固定不动的太阳能电池板对于太阳能的转化效率不高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多自由度太阳能跟踪智能除污船。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种多自由度太阳能跟踪智能除污船，其特征在于该除污船包括太阳能电池板、蓄电装置、稳压模块、动力电机、gps模块、电子罗盘传感器、超声波测距模块、角度传感器、电机驱动模块、舵机、云台旋转电机、云台旋转电机控制器、滤网支架、螺旋桨、船身、旋转云台、第一齿轮、控制模块、滤网、第二齿轮和摇杆滑块机构；

所述云台旋转电机固定于船身内部，其输出端安装有第二齿轮；所述云台旋转电机控制器放置于船身内部，与云台旋转电机连接；所述第一齿轮固定于旋转云台的底部，第一齿轮与第二齿轮啮合；所述角度传感器位于船身内部，与第一齿轮连接；所述旋转云台位于船身之上，舵机固定于旋转云台上；所述太阳能电池板位于船身的顶端，端部通过轴与旋转云台连接，中部通过摇杆滑块机构与舵机连接；所述蓄电装置与太阳能电池板连接，通过稳压模块与控制模块连接；两个超声波测距模块分别放置于船身前端左右两侧；两个动力电机固定于船身的尾部左右两侧，输出端伸出船身并且其上均安装有螺旋桨；所述电机驱动模块放置于船身内部，与动力电机连接；所述滤网支架安装在船身底端，滤网支架上安装有滤网；所述控制模块通过导线分别与稳压模块、gps模块、电子罗盘传感器、超声波测距模块、角度传感器、电机驱动模块、舵机和云台旋转电机控制器连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、太阳能电池板具有两个自由度。通过云台旋转电机调整旋转云台上的太阳能电池板的方位角，通过摇杆滑块机构调节太阳能电池板的俯仰角，电子罗盘传感器实时对太阳能电池板的位置进行调整，实现太阳能电池板随时以最佳角度面对太阳，实现太阳能转化为电能的效率最大化，相比固定不动的太阳能电池板，太阳能转化率提高了15％左右，提高了该除污船的续航能力。

2、智能控制。通过控制模块、gps模块、电子罗盘传感器和超声波测距模块相结合的方式控制船只运行路线以及实现避障，可实现超远目标作业。可大量节省人力物力，还能降低成本。

3、倾斜传感器检测到船身倾角较大时，为防止风浪导致除污船侧翻，将太阳能电池板降到最低，以降低重心。

4、电量检测模块实时检测蓄电装置的剩余电量，当电量低于设定的最低电量时，除污船进入休眠模式，即只保证超声波测距模块避障功能以保证除污船能尽可能长时间的安全漂流。当电能充足时，除污船会重新回到工作状态，实现两种状态之间的切换，污染物收集满以后返航。

5、垃圾清理彻底。该除污船通过在水域中游走实现清污。滤网可以根据不同的水质需要而采用不同的半透膜，进而实现清理水面直径极小的垃圾，如水面漂浮的微塑料及化工污染物等，使水面的垃圾打捞更加彻底，最大程度上解决环境污染。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明一种实施例的整体结构装配示意图；

图3为本发明一种实施例的控制模块控制原理示意图。

图中：1、太阳能电池板；2、蓄电装置；3、稳压模块；4、动力电机；5、gps模块；6、倾斜传感器；7、电子罗盘传感器；8、超声波测距模块；9、角度传感器；10、电机驱动模块；11、舵机；12、云台旋转电机；13、云台旋转电机控制器；14、滤网支架；15、螺旋桨；16、船身；17、旋转云台；18、第一齿轮；19、控制模块；20、滤网；21、第二齿轮；22、摇杆滑块机构；23、电量检测模块。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种多自由度太阳能跟踪智能除污船(简称除污船，参见图1-3)，其特征在于该除污船包括太阳能电池板1、蓄电装置2、稳压模块3、动力电机4、gps模块5、电子罗盘传感器7、超声波测距模块8、角度传感器9、电机驱动模块10、舵机11、云台旋转电机12、云台旋转电机控制器13、滤网支架14、螺旋桨15、船身16、旋转云台17、第一齿轮18、控制模块19、滤网20、第二齿轮21和摇杆滑块机构22；

所述云台旋转电机12固定于船身16内部，其输出端安装有第二齿轮21；所述云台旋转电机控制器13放置于船身16内部，与云台旋转电机12连接；所述第一齿轮18固定于旋转云台17的底部，第一齿轮18与第二齿轮21啮合，云台旋转电机12旋转带动第二齿轮21旋转，进而带动第一齿轮18旋转，从而带动旋转云台17旋转；所述角度传感器9位于船身16内部，与第一齿轮18的基圆中心连接，用于测量第一齿轮18旋转的角度，从而能计算出旋转云台17旋转的角度；所述旋转云台17位于船身16之上，舵机11固定于旋转云台17上表面上；所述太阳能电池板1位于船身16的顶端，端部通过轴与旋转云台17连接，中部通过摇杆滑块机构22与舵机11连接，摇杆滑块机构22能够竖直升降，进而推动太阳能电池板1的俯仰角角度变化；所述蓄电装置2安装在太阳能电池板1上，与太阳能电池板1连接，用于存储太阳能电池板1吸收的能量；蓄电装置2直接为动力电机4和云台旋转电机12供电，通过稳压模块3与控制模块19连接，通过稳压模块3为舵机11、控制模块19及控制模块接口供电；两个超声波测距模块8分别放置于船身16前端左右两侧，用于检测前方障碍物，实现避障测距；两个动力电机4固定于船身16的尾部左右两侧，输出端伸出船身16并且其上均安装有螺旋桨15；所述电机驱动模块10放置于船身16内部，与动力电机4连接；所述滤网支架14安装在船身16的最底端，滤网支架14上安装有滤网20；所述稳压模块3、gps模块5、电子罗盘传感器7和控制模块19均放置于船身16内部；

所述控制模块19通过导线分别与稳压模块3、gps模块5、电子罗盘传感器7、超声波测距模块8、角度传感器9、电机驱动模块10、舵机11和云台旋转电机控制器13连接，发出相应的指令。舵机11是通过控制模块19输出pwm控制的。

该除污船还包括倾斜传感器6；倾斜传感器6放置于船身16内部，与控制模块19连接，用于检测船身16的倾角；倾斜传感器6采用mpu6050芯片。

该除污船还包括电量检测模块23；电量检测模块23放置于船身16内部，与控制模块19连接，实时检测蓄电装置2的剩余电量。

太阳能电池板1输出的电能储存到蓄电装置2中，蓄电装置2直接为动力电机4和云台旋转电机12供电，蓄电装置2输出的电压通过稳压模块3变为6v提供给电机驱动模块10的电机驱动部分，蓄电装置2输出的电压通过稳压模块3变为5v分别提供给gps模块5、倾斜传感器6、电子罗盘传感器7、超声波测距模块8、角度传感器9、电机驱动模块10、舵机11、云台旋转电机控制器13、控制模块19、电量检测模块23和电机驱动模块10的模块供电部分。

所述控制模块19采用型号为stm32f130zet6的51单片机，具有供电接口、gps模块接口、倾斜传感器接口、电子罗盘传感器接口、超声波测距模块接口、角度传感器接口、电机驱动模块接口、云台旋转电机控制器接口和电量检测模块接口；gps模块5连接在控制模块19的gps模块接口，倾斜传感器6连接在控制模块19的倾斜传感器接口，电子罗盘传感器7连接在控制模块的电子罗盘传感器接口，超声波测距模块8连接在控制模块19的超声波测距模块接口，角度传感器9连接在控制模块19的角度传感器接口，电机驱动模块10连接在控制模块19的电机驱动模块接口，云台旋转电机控制器13连接在控制模块19的云台旋转电机控制器接口，电量检测模块23连接在控制模块19的电量检测模块接口。

所述太阳能电池板1采用高效单晶太阳能发电板。所述蓄电装置2采用4.8v、3400mah锂电池。所述稳压模块3采用ams1117稳压器。所述动力电机4的扭矩为29.4kg·cm。所述gps模块5采用neo-6m芯片。所述电子罗盘传感器7采用hmc5883芯片。所述超声波测距模块8采用hc-sr04芯片。所述角度传感器9采用sw-520d芯片。所述电机驱动模块10采用tb6612fng芯片。所述舵机11采用ds3119电机。所述云台旋转电机12扭矩为0.45kg·cm。所述云台旋转电机控制器13采用modbus-rtu-485芯片。滤网20是根据不同的水质需要而采用不同的半透膜制成的。

本发明的工作原理和工作流程是：

工作状态：控制模块19从gps模块5中读取数据库中的经度、纬度、年、月、日、小时、分钟数据，计算出当前太阳的俯仰角和方位角。电子罗盘传感器7读取当前除污船朝向，除污船朝向和当前太阳方位角的差值就是太阳能电池板1和除污船朝向的角度差值，角度传感器9控制云台旋转电机12带动旋转云台17旋转此角度差值，调整太阳能电池板1的方位角；舵机11根据当前太阳的俯仰角通过摇杆滑块机构22调节太阳能电池板1的俯仰角，当前状态太阳能电池板1能最大限度的吸收太阳能存储到蓄电装置2中。在航行的过程中，gps模块5实时定位除污船的位置，通过电子罗盘传感器7实时对太阳能电池板1的位置进行调整，以便最大限度的吸收太阳能存储到蓄电装置2中，达到最佳的充电效率。通过蓄电装置2供电，两个动力电机4转速相同带动螺旋桨15同时提供向前运动的动力，前进的同时通过滤网20过滤和吸附水中的杂质。前进过程中，两个超声波测距模块8持续工作，当左侧有障碍物时，通过调整两个动力电机4的转速，通过不等速实现向右侧转向；当右侧有障碍物时，通过调整两个动力电机4的转速，通过不等速实现向左侧转向。当倾斜传感器6检测到船身16倾角较大时，为防止风浪导致除污船侧翻，将太阳能电池板1降到最低，以降低重心。

休眠状态：蓄电装置2能够保证除污船在没有太阳能供应的情况下连续工作若干天(本实施例为三天)。电量检测模块23实时检测蓄电装置2的剩余电量，当某种原因(天气因素、连续阴天等)导致蓄电装置2电量低于设定的最低电量时，除污船进入休眠模式，即只保证超声波测距模块8避障功能以保证除污船能尽可能长时间的安全漂流。当电能充足时，除污船会重新回到工作状态，污染物收集满以后进行返航。

本发明未述及之处适用于现有技术。