一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法与系统

1.本发明涉及无人设备水面清洁技术领域，特别是一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法与系统。


背景技术：

2.在无人艇领域，垃圾回收一直是其中一个重点方向。对比传统的人工打捞和有人驾驶相关机械回收两种方式。垃圾回收无人艇有着人力消耗小、作业时间长、成本低、便于检测和减少人员事故的优点。
3.然而，现有主流的无人艇大多有回收范围窄、回收效率低的问题。因为其大多采用单独的内置传送带回收结构，仅能回收无人艇正前方的垃圾。针对这种情况，部分改进型垃圾回收无人艇拥有外伸的阻拦网或者机械臂进行辅助。但是采用机械臂等机械外伸结构又造成了结构复杂、重量大、成本高、控制困难等问题。单纯使用外伸阻拦网的垃圾回收无人艇面临阻拦网角度限定，角度过大会导致垃圾无法回收的问题。
4.因此，需要一种即有较大回收范围和效率，又能有效降低结构的复杂程度、重量和成本的方法。


技术实现要素：

5.针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法与系统。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法，包括以下步骤：
7.步骤s1：规划无人艇巡线路径，无人艇按照巡线路径在水面行驶；
8.步骤s2：无人艇在开始行驶时，一同开启感应装置，感应无人艇前方是否存在有垃圾；
9.步骤s3：若所述感应装置感应无人艇前方存在垃圾，则无人艇展开回收臂，并判断垃圾是否能够进入到回收臂的回收范围内，若垃圾能落入到回收臂的回收范围内，则无人艇朝向垃圾的方向行驶，若垃圾不能落入到回收臂的回收范围内，则重新规划无人艇的巡线路经，使垃圾能够落入到回收臂的回收范围内；
10.步骤s4：当垃圾进入到回收臂的喷射区域内时，根据垃圾与回收臂上喷嘴的位置，获取回收臂上喷嘴的理论喷射角度以及喷嘴的理论喷水量，将理论喷射角度传递至神经网络，神经网络确定步进电机的执行旋转角度，启动步进电机根据执行旋转角度旋转所述喷嘴；将理论喷水量传递至神经网络，神经网络确定阀门的开合度实现喷水量控制；通过喷嘴喷出的水流将垃圾回收到无人艇内。
11.优选的，所述步骤s4中获取回收臂上喷嘴的理论喷射角度包括以下步骤：
12.以感应装置为原点构建，为坐标原点建立直角坐标系，感应装置输出垃圾相对于原点的极坐标(l，θ)，并将极坐标转化为直角坐标(x，y)；
13.以回收臂的转轴为中心坐标(x0,y0)，根据喷嘴离回收臂的转轴的距离以及回收臂在直角坐标系中与x轴的夹角，得到喷嘴的直角坐标(x1,y1)，再通过直角坐标(x，y)与直角坐标(x1,y1)获取得到喷嘴的理论喷射角度α；
14.其中理论喷射角度α的获取公式如下：
15.其中x1＝x0 lcosψ-lcosθ，y1＝y0 lsinψ-lsinθ
‑‑
公式二；
16.经过公式一与公式二的合并，得到公式三：
[0017][0018]
ψ为回收臂在直角坐标系中与x轴的夹角，l为喷嘴离回收臂的转轴的距离，θ为垃圾在直角坐标系中与x轴的夹角。
[0019]
优选的，所述步骤s4中获取回收臂上喷嘴的理论喷水量u如公式四所表示：
[0020]
u＝kb2‑‑
公式四，其中b为喷嘴与垃圾的距离，k为理论喷水量与距离的关系系数，其中b的获取公式五如下所示：
[0021]
b＝(x0 lcosψ-lcosθ)2 (y0 lsinψ-lsinθ)2。
[0022]
优选的，所述步骤s4中启动步进电机旋转所述喷嘴，其中所述步进电机的理论旋转角度控制表达式如下公式六所表示：
[0023][0024]
其中a1(t)为步进电机的理论的旋转，a1(t)的取值为喷嘴的理论喷射角度α，k
p
、ki、kd为神经网络的增益，t为时间，e1为旋转角度误差值；
[0025]
对步进电机的理论旋转角度进行离散化处理，获得步进电机的执行旋转角度，其中步进电机的执行旋转角度如下公式七所表示：
[0026][0027]
其中，a1(k)为步进电机的执行旋转角度，e1(k)为第k个旋转角度误差值的离散值，n的取值范围为整数；
[0028]
通过步进电机的执行旋转角度与步进电机的理论旋转角度之间的差值对旋转角度误差值e1进行更新，更新后的e1代入到下次的步进电机的执行旋转角度与步进电机的理论旋转角度中。
[0029]
优选的，所述步骤s4中神经网络确定阀门的开合度包括以下步骤：
[0030]
将理论喷水量转化为理论阀门开合度，其中理论阀门开合度如下公式八：
[0031][0032]
其中uk(t)为理论阀门开合度，k
p
、ki、kd为神经网络的增益，t为时间，e2为开合度误差值；
[0033]
对理论阀门开合度进行离散化处理，获得阀门的执行开合度，其中阀门的执行开合度如下公式九所表示：
[0034][0035]
其中，uk(k)为阀门的执行开合度，e2(k)为第k个开合度误差值的离散值，n的取值范围为整数；
[0036]
通过阀门的执行开合度与理论阀门开合度之间的差值对旋转角度误差值e2进行更新，更新后的e2代入到下次阀门的执行开合度与理论阀门开合度中。
[0037]
一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的系统，使用上述一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法，包括线路策划模块、感应模块、神经网络模块、喷水模块、转动模块；
[0038]
所述线路策划模块用于规划无人艇巡线路径，无人艇按照巡线路径在水面行驶；
[0039]
所述感应模块用于感应无人艇前方是否存在有垃圾；
[0040]
所述神经网络模块包括回收范围模块以及喷射区域模块，所述回收范围模块用于判断垃圾是否能够进入到回收臂的回收范围内，所述喷射区域模块用于判断垃圾是否进入到回收臂的喷射区域内；
[0041]
所述喷水模块用于控制阀门的开合度；
[0042]
所述转动模块用于驱动步进电机旋转。
[0043]
优选的，还包括坐标构建模块、理论喷射角度获取模块以及理论喷水量获取模块；
[0044]
所述坐标构建模块用于根据感应装置与垃圾的位置构建直角坐标，并获取垃圾与喷嘴之间的位置关系；
[0045]
所述喷射角度获取模块用于根据坐标构建模块的信息获取喷嘴的理论喷射角度；
[0046]
所述喷水量获取模块用于根据坐标构建模块的信息获取喷嘴的理论喷水量。
[0047]
优选的，还包括步进电机旋转角度模块和阀门开合度模块；
[0048]
所述进电机旋转角度模块用于根据理论喷射角度获取步进电机的执行旋转角度，并将执行旋转角度发生给转动模块；
[0049]
所述阀门开合度模块用于根据理论喷水量获取执行开合度，并将执行开合度发送给喷水模块。
[0050]
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：与现有技术相比，本技术可控制无人艇以最佳巡线路径对垃圾进行回收，减少无人艇行驶的距离。同时本技术还能精准控制喷嘴的喷射角度以及喷水量，减少无人艇的运行成本以及提高回收的精准度。
附图说明
[0051]
图1是本发明方法的一个实施例的流程示意图。
[0052]
图2是本发明系统的一个实施例的结构示意图。
[0053]
图3是本发明方法的一个实施例的直角坐标系示意图。
具体实施方式
[0054]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0055]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0056]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0057]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0058]
如图1～3所示，一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法，包括以下步骤：
[0059]
步骤s1：规划无人艇巡线路径，无人艇按照巡线路径在水面行驶；
[0060]
步骤s2：无人艇在开始行驶时，一同开启感应装置，感应无人艇前方是否存在有垃圾；
[0061]
步骤s3：若所述感应装置感应无人艇前方存在垃圾，则无人艇展开回收臂，并判断垃圾是否能够进入到回收臂的回收范围内，若垃圾能落入到回收臂的回收范围内，则无人艇朝向垃圾的方向行驶，若垃圾不能落入到回收臂的回收范围内，则重新规划无人艇的巡线路经，使垃圾能够落入到回收臂的回收范围内；
[0062]
步骤s4：当垃圾进入到回收臂的喷射区域内时，根据垃圾与回收臂上喷嘴的位置，获取回收臂上喷嘴的理论喷射角度以及喷嘴的理论喷水量，将理论喷射角度传递至神经网络，神经网络确定步进电机的执行旋转角度，启动步进电机根据执行旋转角度旋转所述喷嘴；将理论喷水量传递至神经网络，神经网络确定阀门的开合度实现喷水量控制；通过喷嘴喷出的水流将垃圾回收到无人艇内。
[0063]
在步骤s2中，所述无人艇通过感应装置，感应前方是否存在垃圾，其中所述感应装置可以为摄像头以及激光雷达，通过激光雷达对水面上的异物进行获取，同时摄像头对异物进行拍摄，再通过神经网络对拍摄的图片进行识别，判断水面上的异物是否为垃圾。在步骤s3中，当无人艇发现到有垃圾后，无人艇会旋转展开回收臂，在旋转展开的过程中，感应装置中的激光雷达会同时将回收臂的位置信息发给无人艇的处理内存，处理内存会判断垃圾是否会落入到回收臂的回收范围了。其中回收范围的确定过程大致如下：当处理内存接收到回收臂的位置后，会以回收臂的端部向无人艇移动的方向做直线，当垃圾位于两个回收臂所作出的直线内，则说明垃圾位于回收区域内，无人艇可对垃圾进行回收。另外由于回收臂的展开角度限制，当垃圾不能位于回收臂展开最大角度时所作出的直线内，则说明垃圾不能被当前巡线路径的无人艇所回收，需要重新规划巡线路径。重新规划巡线路径大致方法如下，获取垃圾的方位，并将无人艇逐渐转向垃圾，在转向垃圾的过程中，检测垃圾是
否落入到回收区域内，当垃圾落入到回收区域内时，停止无人艇旋转。无人艇向前行驶，当回收完该垃圾后，沿原有的巡线路径进行行驶。当垃圾进入到回收臂的喷射区域内，无人艇将会计算回收臂上喷嘴的喷射角度以及喷水量，以最合理的角度以及最低的喷水量，将垃圾到无人艇内进行回收。与现有技术相比，本技术可控制无人艇以最佳巡线路径对垃圾进行回收，减少无人艇行驶的距离。同时本技术还能精准控制喷嘴的喷射角度以及喷水量，减少无人艇的运行成本以及提高回收的精准度。
[0064]
优选的，所述步骤s4中获取回收臂上喷嘴的理论喷射角度包括以下步骤：
[0065]
以感应装置为原点构建，为坐标原点建立直角坐标系，感应装置输出垃圾相对于原点的极坐标(l，θ)，并将极坐标转化为直角坐标(x，y)；
[0066]
以回收臂的转轴为中心坐标(x0,y0)，根据喷嘴离回收臂的转轴的距离以及回收臂在直角坐标系中与x轴的夹角，得到喷嘴的直角坐标(x1,y1)，再通过直角坐标(x，y)与直角坐标(x1,y1)获取得到喷嘴的理论喷射角度α；
[0067]
其中理论喷射角度α的获取公式如下：
[0068]
其中x1＝x0 lcosψ-lcosθ，y1＝y0 lsinψ-lsinθ
‑‑
公式二；
[0069]
经过公式一与公式二的合并，得到公式三：
[0070][0071]
ψ为回收臂在直角坐标系中与x轴的夹角，l为喷嘴离回收臂的转轴的距离，θ为垃圾在直角坐标系中与x轴的夹角。
[0072]
优选的，所述步骤s4中获取回收臂上喷嘴的理论喷水量u如公式四所表示：
[0073]
u＝kb2‑‑
公式四，其中b为喷嘴与垃圾的距离，k为理论喷水量与距离的关系系数，其中b的获取公式五如下所示：
[0074]
b＝(x0 lcosψ-lcosθ)2 (y0 lsinψ-lsinθ)2。
[0075]
在无人挺朝向垃圾行驶的过程中，所述感应设备会实时获取垃圾与感应设置之间的距离，当距离小于阈值范围内，则说明垃圾可以被展开回收臂的喷嘴通过喷水的方式将垃圾喷向无人艇内。如图3所示为本技术中直角坐标系图，本身通过先通过垃圾的极坐标确定在直角坐标系中x轴坐标与y轴坐标的单位关系，再以同样的方式确认回收臂上喷嘴的直角坐标，通过垃圾的直角坐标(x，y)与喷嘴的直角坐标(x1,y1)即可确定喷嘴与垃圾之间的距离以及垃圾与回收臂之间的角度。另外由于回收臂的转轴为中心坐标(x0,y0)与原点之间的距离是保持不变的，此时只需要获取到回收臂在直角坐标系中与x轴的夹角既可以获得直角坐标(x1,y1)。通过本技术的放置获取喷嘴与垃圾之间的位置关系，能够极大地提高喷嘴与垃圾位置关系的速度与精准度。在公式四中，k值为通过电脑模拟环境的测试中获取到的理论数据，该k值会根据所述感应设备获取到垃圾的种类的不同，而取不同的数值。
[0076]
优选的，所述步骤s4中启动步进电机旋转所述喷嘴，其中所述步进电机的理论旋转角度控制表达式如下公式六所表示：
[0077]
[0078]
其中a1(t)为步进电机的理论的旋转，a1(t)的取值为喷嘴的理论喷射角度α，k
p
、ki、kd为神经网络的增益，t为时间，e1为旋转角度误差值；
[0079]
对步进电机的理论旋转角度进行离散化处理，获得步进电机的执行旋转角度，其中步进电机的执行旋转角度如下公式七所表示：
[0080][0081]
其中，a1(k)为步进电机的执行旋转角度，e1(k)为第k个旋转角度误差值的离散值，n的取值范围为整数；
[0082]
通过步进电机的执行旋转角度与步进电机的理论旋转角度之间的差值对旋转角度误差值e1进行更新，更新后的e1代入到下次的步进电机的执行旋转角度与步进电机的理论旋转角度中。
[0083]
优选的，所述步骤s4中神经网络确定阀门的开合度包括以下步骤：
[0084]
将理论喷水量转化为理论阀门开合度，其中理论阀门开合度如下公式八：
[0085][0086]
其中uk(t)为理论阀门开合度，k
p
、ki、kd为神经网络的增益，t为时间，e2为开合度误差值；
[0087]
对理论阀门开合度进行离散化处理，获得阀门的执行开合度，其中阀门的执行开合度如下公式九所表示：
[0088][0089]
其中，uk(k)为阀门的执行开合度，e2(k)为第k个开合度误差值的离散值，n的取值范围为整数；
[0090]
通过阀门的执行开合度与理论阀门开合度之间的差值对旋转角度误差值e2进行更新，更新后的e2代入到下次阀门的执行开合度与理论阀门开合度中。
[0091]
当获取到喷嘴相对垃圾的理论喷射角度预计理论喷水量后，将会将该数值发生给神经网络，神经网络作为具体实施零件的控制端，会将理论喷射角度传递给步进电机，通过步进电机的执行旋转角度，带动喷嘴旋转到相应的角度；同时神经网络还会将理论喷水量发生给阀门，通过控制阀门的开合度实现喷水量的控制。
[0092]
在此过程中，在实际的运作步进电机对于喷嘴的旋转以及阀门开合后喷水量会与理论值有所偏差，导致喷嘴在该喷射角度以及喷水量的配合下无法回收垃圾。为此本技术在每次计算时执行旋转角度与阀门执行开合度时，会代入上次计算获取的误差值e1与误差值e2分别对执行旋转角度与阀门执行开合度进行补偿。在多次计算后，误差值e1与误差值e2会越来越小，而回收垃圾的精准度会越来越高。进而提高回收垃圾的效率。
[0093]
另外，本技术中通过将理论喷水量转化为理论阀门开合度是可通过虚拟环境中构建无人艇模型测试得出。
[0094]
一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的系统，使用上述一种基于无人艇的喷水辅助垃圾回收的方法，包括线路策划模块、感应模块、神经网络模块、喷水模块、转动模块；
[0095]
所述线路策划模块用于规划无人艇巡线路径，无人艇按照巡线路径在水面行驶；
[0096]
所述感应模块用于感应无人艇前方是否存在有垃圾；
[0097]
所述神经网络模块包括回收范围模块以及喷射区域模块，所述回收范围模块用于判断垃圾是否能够进入到回收臂的回收范围内，所述喷射区域模块用于判断垃圾是否进入到回收臂的喷射区域内；
[0098]
所述喷水模块用于控制阀门的开合度；
[0099]
所述转动模块用于驱动步进电机旋转。
[0100]
优选的，还包括坐标构建模块、理论喷射角度获取模块以及理论喷水量获取模块；
[0101]
所述坐标构建模块用于根据感应装置与垃圾的位置构建直角坐标，并获取垃圾与喷嘴之间的位置关系；
[0102]
所述喷射角度获取模块用于根据坐标构建模块的信息获取喷嘴的理论喷射角度；
[0103]
所述喷水量获取模块用于根据坐标构建模块的信息获取喷嘴的理论喷水量。
[0104]
优选的，还包括步进电机旋转角度模块和阀门开合度模块；
[0105]
所述进电机旋转角度模块用于根据理论喷射角度获取步进电机的执行旋转角度，并将执行旋转角度发生给转动模块；
[0106]
所述阀门开合度模块用于根据理论喷水量获取执行开合度，并将执行开合度发送给喷水模块。
[0107]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0108]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。