一种无线充电自动清理水面机器人系统技术领域
本发明属于机器人领域，特别涉及一种无线充电自动清理水面机器人系统。
背景技术
近年来，我国水域漂浮物污染问题日益严重。河道、近海、湖泊、水库等水域漂浮漂
浮物随处可见。漂浮漂浮物已经成为水体污染的重要来源，不仅影响了海洋江河湖泊生态
系统，危害到居民健康，还对生态景观造成了严重的损害。目前水域漂浮物的清理方式主要
有机械清理和人工清理两种。机械清理主要采用水面漂浮物清理船，这种清理方式效率高、
清理量大，适用于漂浮物集中区域的清理。但是对于分散的漂浮物，采用漂浮物清理船的性
价比和清理效率显然很低，目前多采用人工清理方式。但是，人工清理也需要耗费很高的人
力、物力，并存在安全隐患。也有一些自动漂浮物清理船可以在水面自主巡航，对沿途漂浮
物进行清理。但是这些漂浮物清理船没有主动搜索、捕获漂浮物的能力，且都没有考虑漂浮
物的最终卸放和清理船的持续作业能力，距离实用应用相距甚远。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无线充电自动清理水面机器人系统，采用
自动控制和无线充电技术，以实现对自动清理机器人的运动控制，漂浮物的识别、追踪和捕
获，返航充电和漂浮物捕获，无需人力干预，实用性强。
为达到上述目的，本发明提供了一种无线充电自动清理水面机器人系统，包括机
器人和基站，其中，
所述机器人包括防水电路部、推进器、摄像模块、漂浮物捕获模块、WiFi模块和GPS
模块，所述推进器、摄像模块、漂浮物捕获模块、WiFi模块和GPS模块皆与防水电路部连接，
其中，
所述防水电路部包括防水电路箱、第一线圈和第一磁铁阵列，第一线圈和第一磁
铁阵列均固定在防水电路箱下方；
所述推进器设置在防水电路箱两侧，用于实现所述机器人的前进、后退和转弯；
所述摄像模块包括摄像头和与摄像头连接的转向电机，摄像头为360°平面转动
式，转向电机为360°平面转动式；
所述漂浮物捕获模块包括活动收集板、闸板、绳索、漂浮物收集篮、旋转轴、电机、
支撑框架和失电型电磁铁，活动收集板、漂浮物收集篮、旋转轴和电机均与支撑框架连接；
闸板通过绳索与旋转轴连接；绳索还与活动收集板连接；电机与旋转轴连接，控制其正反
转；漂浮物收集篮通过失电型电磁铁吸合在防水电路箱上方；
所述WiFi模块固定在支撑框架上，用于和遥控终端通信；
所述GPS模块固定在支撑框架上，用于得到机器人的实时位置；
所述基站包括支架、设置在支架前端的平台、设置在支架上的转轴、与转轴垂直方
向固定连接的转杆、与转杆前端固定连接的电磁铁和与转杆上部固定连接的靶标，所述平
台上设置第二线圈和第二磁铁阵列。
优选地，所述防水电路箱中设置控制电路、监测电路、无线充电电路、电池组和电
子罗盘，监测电路、无线充电电路、电池组和电子罗盘皆与控制电路连接。
优选地，所述防水电路箱还包括水密线，所述防水电路箱通过所述水密线与推进
器、摄像模块、漂浮物捕获模块、WiFi模块和GPS模块连接。
优选地，所述第一线圈和第一磁铁阵列通过环氧树脂灌封，所述第一线圈和第一
磁铁阵列皆与防水电路箱固定连接。
优选地，所述第一线圈采用多股利兹线绕制。
优选地，所述活动收集板的中部设置有弹簧，与支撑框架的连接处设置有弹簧。
优选地，所述活动收集板呈八字张开。
优选地，所述第二线圈和第二磁铁阵列通过环氧树脂灌封，所述第二线圈和第二
磁铁阵列皆与平台固定连接。
优选地，所述第二线圈采用多股利兹线绕制。
与现有技术相比，本发明公开的机器人系统具备自主漂浮物捕获能力和自主回航
充电能力，可以完全脱离人工自主、不间断工作，并且可以与遥控终端进行通信，可设定自
主巡航清理路线，非常适合河道、湖泊、海洋等自然水面和水库、泳池等人工水面的漂浮漂
浮物清理。此外，该机器人还具备漂浮物自动倾倒能力，可以将收集到的漂浮物集中到岸边
基站上的漂浮物堆放点，真正实现无人运作。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行
说明：
图1为本发明实施例无线充电自动清理机器人系统的结构框图；
图2为本发明实施例无线充电自动清理机器人系统的机器人结构示意图；
图3为本发明实施例无线充电自动清理机器人系统的机器人结构仰视图；
图4为本发明实施例无线充电自动清理机器人系统的基站结构示意图；
图5为本发明实施例无线充电自动清理机器人系统的详细结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1-5所示，为本发明实施例的无线充电自动清理机器人系统的结构框图、机
器人结构示意图、仰视图、基站结构示意图和系统的详细结构示意图，本系统包括机器人1
和基站2，其中，
所述机器人1包括防水电路部11、推进器12、摄像模块13、漂浮物捕获模块14、WiFi
模块15和GPS模块16，所述推进器12、摄像模块13、漂浮物捕获模块14、WiFi模块15和GPS模
块16皆与防水电路部11连接，其中，
防水电路部11包括防水电路箱111、第一线圈112和第一磁铁阵列113，第一线圈
112和第一磁铁阵列113均固定在防水电路箱111下方；
推进器12设置在防水电路箱111两侧，用于实现机器人1的前进、后退和转弯；
摄像模块13包括摄像头和与摄像头连接的转向电机，摄像头为360°平面转动式，
转向电机为360°平面转动式；
漂浮物捕获模块14包括活动收集板141、闸板142、绳索143、漂浮物收集篮144、旋
转轴145、电机146、支撑框架147和失电型电磁铁，活动收集板141、漂浮物收集篮144、旋转
轴145和电机146均与支撑框架147连接；闸板142通过绳索143与旋转轴145连接；绳索143还
与活动收集板141连接；电机146与旋转轴145连接，控制其正反转；漂浮物收集篮144通过失
电型电磁铁吸合在防水电路箱上方；
WiFi模块15固定在支撑框架147上，用于和遥控终端通信；
GPS模块16固定在支撑框架147上，用于得到机器人1的实时位置；
基站2包括支架21、设置在支架21前端的平台22、设置在支架21上的转轴23、与转
轴23垂直方向固定连接的转杆24、与转杆24前端固定连接的电磁铁25和与转杆24上部固定
连接的靶标26，平台22上设置第二线圈221和第二磁铁阵列222。
采用如上设置，防水电路部11和推进器12全部处于水下，活动收集板141、闸板142
和漂浮物收集篮144在正常状态下一半处于水下。
1、机器人1实现巡视功能。
机器人1的推进通过两个对称的推进器12实现，并通过控制两个推进器12的正反
转实现机器人1的前进和后退，控制两个推进器12的不同转速实现机器人1的转弯。机器人1
可设置终端(手机或平板电脑)遥控和自主巡航两种模式。终端遥控模式中，终端通过WiFi
跟机器人1的WiFi模块15通讯，并且控制机器人1的前进、后退和转弯，并可以通过摄像模块
13看到摄像头传回的实时画面，此外，可以通过终端给机器人1设定巡航、返航、捕获等任
务。自主巡航模式中，机器人1根据设定好的路径点进行漂浮物清理，当机器人1到达设定点
后，摄像模块13进行水平和竖直方向的360°旋转扫描，如发现漂浮物，则进行清理，清理完
成后，前往下一个设定点。
2、机器人1实现漂浮物识别、追踪和捕获功能。
在机器人1的巡航和搜索过程中，采用机器视觉算法进行水面漂浮物识别，并获取
水面漂浮物在图像平面中的坐标；然后以漂浮物的坐标信息为反馈量，控制机器人1追踪漂
浮物前进，直至机器人驶于漂浮物所在区域。
当机器人1通过水面漂浮物所在位置时，漂浮物由于相对运动被导入到两块活动
收集板141之间的区域，由电机146带动旋转轴145轴向顺时针转动，旋转轴145上缠绕的两
股绳索143被收紧，一股绳索143带动闸板142向上运动，另一股绳索143带动活动收集板141
向内并拢，此时，机器人1继续向前运动，漂浮物随着水流滑入漂浮物收集篮144中；经过适
当的延时，电机146反转，带动旋转轴145轴向逆时针转动，活动收集板141回到默认张开位
置，与此同时，闸板142在重力的作用下回落，将漂浮物阻挡在漂浮物收集篮144内，完成漂
浮物捕获。
3、机器人系统完成返航充电和漂浮物倾倒功能。
具有充电和倾倒漂浮物功能的基站2建在岸边，其结构示意图参见图4。基站2的支
架21上设置有转轴23，转杆24与转轴23垂直固定连接，转杆24上设置有靶标26，用于引导机
器人1返航。返航充电的第一步是根据路径点巡航行驶到基站2前方的位置。摄像头旋转
180°正对机器人1的后方，对基站2上的靶标26进行识别；然后采用视觉引导技术使机器人1
从正面退入基站2；机器人进入基站后，转杆24的前端装有电磁铁25，吸住机器人1的铁磁性
漂浮物收集篮144，通过转轴23旋转带动转杆24将漂浮物收集篮144抬起倾倒。漂浮物收集
篮144通过失电型电磁铁吸合在防水电路箱111上方，需要卸载漂浮物时，给失电型电磁铁
通电，吸力消失，漂浮物收集篮144就可以被移开。
具体应用实例中，防水电路箱采用非金属有机材料制作，可以为机器人提供足够
的浮力。
供机器人1停靠的平台22位于水下，其内或其上封有第二线圈222和第二磁铁阵列
221，当机器人1顺利回航到基站2，平台22上的第二磁铁阵列221跟机器人1防水电路箱111
底部的第一磁铁阵列113相互吸引，实现机器人1的固定。此时，平台22上的第二线圈222跟
机器人1防水电路箱111底部的第一线圈112正好对准，可以进行无线充电，停靠完成的机器
人1和基站2位置状态参见图5所示。如果机器人1要开始新的任务，只需控制推进器12开动
到预定转速，产生的推进力可以使机器人1挣脱磁铁的吸力而前进。
防水电路箱111还包括水密线，防水电路箱111通过水密线与推进器12、摄像模块
13、漂浮物捕获模块14、WiFi模块15和GPS模块16连接。
第一线圈112和第一磁铁阵列113通过环氧树脂灌封，第一线圈112和第一磁铁阵
列113皆与防水电路箱111固定连接，第一线圈112采用多股利兹线绕制。
活动收集板141的中部设置有弹簧，与支撑框架147的连接处设置有弹簧，活动收
集板141呈八字张开。
第二线圈221和第二磁铁阵列222通过环氧树脂灌封，第二线圈221和第二磁铁阵
列222皆与平台22固定连接，第二线圈221采用多股利兹线绕制。
进一步地，防水电路箱111中设置控制电路、监测电路、无线充电电路、电池组和电
子罗盘，监测电路、无线充电电路、电池组和电子罗盘皆与控制电路连接。监测电路随时监
测电池组的电量、漂浮物捕获次数等数据，当监测值达到阈值，开启回航充电任务，机器人1
的实时位置通过GPS模块16获得。防水电路箱111还包括水密线，防水电路箱111通过水密线
与推进器12、摄像模块13、漂浮物捕获模块14、WiFi模块15和GPS模块16连接。
第一线圈112和第一磁铁阵列113通过环氧树脂灌封，第一线圈112和第一磁铁阵
列113与防水电路箱111固定连接。第一线圈112采用多股利兹线绕制。第二线圈221和第二
磁铁阵列222通过环氧树脂灌封，第二线圈221和第二磁铁阵列222与平台22固定连接。第二
线圈221采用多股利兹线绕制。
活动收集板141默认状态下呈八字张开，其中部和与支撑框架147的连接处设置有
弹簧，使活动收集板141的张开和闭合更加灵活。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描
述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利
要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。