基于STM32的智能下水道清理机器人的设计

基于STM32的智能下水道清理机器人的设计

李昊霖,赵志桓,廖希杰,金航,田晓阳

山东农业工程学院，山东济南 250100

摘要：近年来，随着城镇化进程迅速，城市下水管网不断延伸膨胀。城市排水系统是否畅通，不仅关乎城市防洪排涝，更直接影响着广大市民的日常生活和身心健康。

目前市面上有机器代替人工的设备，仅仅只能满足于简单的视频拍摄，进行对下水道内部结构的检测，并不能完全的代替手工进行全自动的淤泥下水道疏通工作，机械化、自动化程度较低。因此本文主要对一种能够在城市下水管道内代替人工工作的一种智能全自动下水道清理机器人，能够利用多种传感器进行组合，完成视频监控，堵塞物清理，疏通管道等功能，极大的提高了疏通管道的效率。其中各个部分的结构与功能将在下面中解答。

关键词：城市排水系统 下水道 淤泥清理 机器人

一、绪论

1.城市排水管道改造的必要性

自1978 年改革开放至今，中国的城镇化道路已走过45余年。2011年，中国的城镇化率达到52%。然而，随着城镇化的深入发展，一些难题日渐浮出水面，城市下水道问题首当其冲。每逢雨季，城市便成为一片汪洋泽国，交通阻断，雨污横流，给人民群众的生产生活带来了极大的不便。

目前，我国下水道清理淤泥的方法少之又少，目前大多数人采用人工手动清理的方式，目前市面上的下水道机器人，也仅仅只能满足于简单的视频监控，并不能完全的替代手工进行全自动的淤泥下水道疏通工作,机械化、自动化程度较低。

因此本项目主要对一种能够在城市下水管道内代替人工工作的一种智能全自动下水道清理机器人，能够利用多种传感器进行组合，完成视频监控，堵塞物清理，疏通管道等功能，将会极大的提高疏通管道的效率。

2.智能下水道清理机器人简介

本作品是由四轮驱动，螺旋滚筒收集结构，拨片收集结构，高清摄像头和淤泥排出结构组成（如图1）。四轮驱动的每个轮子的动力都来自不同的动力源。这样就能灵活的控制小车的前后左右，使之能够适应更加艰苦的环境。

前部的拨片收集结构通过两个6v直流电机进行驱动，并且利用L298n驱动模块能进行PWM调速，拨片的高度也能通过两个数字舵机进行调整，使之能够将垃圾废物收集起来。

图1 下水道清理机器人图示

二、智能下水道清理机器人工作原理

1.智能下水道清理机器人结构阐述

在下水道清理机器人的前方安有高清摄像头、淤泥收集接口和螺旋推送等结构。高清摄像头能够实时捕获下水道内的淤泥堆积状态，并且通过无线图传的方式显示到指定的设备上，以便于使用者掌握到下水道内的实时情况。目前在模型中使用的无线图传的方式为wifi无线连接配合手机软件来完成。淤泥收集装置是通过轴承连接拨片连成的旋转结构组成。

在运行过程中通过单片机发出信号，经过L298n驱动模块直流电机能转动，从而带动拨片的旋转，做到类似抓手的模拟仿真结构，能够将下水道内的堵塞物运输到螺旋推进器当中，同时螺旋推进器通过旋转将阻塞物推进到机器人的后部，通过外置的软管，可以连接外部的一些淤泥吸取的设备，将阻塞物排出到预定的位置。不同的机械部分相互配合，从而完成整个的淤泥清扫工作。其流程图如图3所示。

图3 下水道清理机器人流程图

三、系统方案

通过对所需功能的分析，机器人具体工作方案为通过四轮驱动结构控制整个机器人的前进，后退以及转弯。利用机器人的摄像头可以实时检测管道内堵塞物的位置。并且通过自动或者手动的方式将机器人行驶到一定的区域，利用前机器人前部的堵塞物收集旋转结构的配合，将管道内的垃圾等汇集到机器人的螺旋推进器前部。然后再通过螺旋进器的旋转将垃圾推进的运输管道内，从而完成整个垃圾清扫的工作。

1.动力部分-直流减速电机四轮驱动

车体底部设置驱动装置，驱动装置包括两组车轮总成。两组车轮总成分别位于车体的底部的前侧和后侧。每组车轮总成包括两个车轮和固定支架；固定支架的两端用于连接两个车轮，车轮可绕着固定支架转动；每个车轮均连接有一个24V直流减速电机单独对车轮进行驱动。

2.垃圾回收部分-螺旋滚筒收集结构

收集筒位于车体内并伸出车体的前端和后端之外；收集筒位于车体前端的一端通过连杆连接拨片收集机构；收集筒呈圆柱体结构，收集筒轴向方向沿着车体的水平方向设置。

收集筒位于清理装置正中央，是垃圾清理的核心结构，该结构由螺旋推进结构和直流减速电机组成，主要负责于将旋转拨片结构收集过来的淤泥以及垃圾通过螺旋推进结构，将其输送到后面的淤泥排出管道。螺旋推进结构通过旋转能够给予淤泥向上的动力，使之能通过管道正常输出到外面。

3.淤泥排出部分-拨片旋转排出结构

拨片呈矩形结构，拨片绕旋转轴的轴线环形阵列分布。拨片长边固定于旋转轴的外圆周面上，沿着旋转轴的轴线方向。

锯齿呈锥形结构，尖端一侧朝外，圆形底面固定安装于拨片的表面上，尖端远离拨片表面。锯齿沿着拨片的长边等距离的成排分布，从拨片的一端设置到拨片的另一端。锯齿分布与拨片远离旋转轴的长边拨片的一端，拨片收集机构用于对地下淤泥的挖掘，通过旋转轴的旋转带动旋转轴上的拨片旋转，将拨片通过锯齿挖掘的淤泥在旋转的拨片作用下输送至收集筒内，由收集筒内的螺旋推进结构将垃圾淤泥等推进至收集筒的后端将淤泥以及垃圾等物体输出至排出结构中。

排出结构为中空的圆筒状结构，排出结构的直径大于收集筒的直接，排出结构与收集筒固定连接，排出结构的顶部安装软管，通过软管将清理物排出至车体外。

四、创新性

本机器人主要应用于城市管道堵塞物的清理，较传统的人工方式有更高的效率和更好的安全保障。同时机器人还可以做到普通人工无法完成的工作，在一些狭窄管道或地势复杂的地方也能够完成堵塞物清理的工作，具有较高的效率。

五、总结

本机器人能够解决采用人工手动清理效率低下的问题，避免了工人需要穿着防护服进入城市下水管道内进行清理堵塞物。从而能够避免下水道由于常年存积大量的垃圾发酵，容易产生硫化氢等有毒气体。不仅效率低，而且容易对人的身体产生伤害的问题。能够实现在管道内全自动完成清理工作，完全代替人工进行清理，无需人工配合。

参考文献：

[1]张冬,蒋亚坤,郑政,何崇凯.智能下水道清理装置[J].物联网技术,2014,4(04):13-14.DOI:10.16667/j.issn.2095-1302.2014.04.003.

[2]孙建雄.城市下水道排水管网管理分析[J].绿色环保建材,2020(06):96+98.DOI:10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2020.06.067.

[3]于大鹏.城市规划设计中下水道损坏的修复方法探讨[J].门窗,2016(10):152.

[4]刘兴源.城市下水道疏通方法及下水道篦子新型设计[J].科技视界,2014(31):332+329.DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2014.31.266.