清理福寿螺水上机器人设计研究

清理福寿螺水上机器人设计研究

程睦展 杜鹏英 江皓

浙大城市学院  310015

摘要：近年来，福寿螺作为一种外来入侵物种，在缺乏天敌的环境下迅速繁殖，对我国南方多地的水稻、茭白等水生作物以及农业生态系统造成了严重破坏。传统的依靠人工捕捞、化学防治等清理方式不仅因此，我们的研究开发一种高效、可靠、节约成本的水上机器人通过机器视觉、自动控制算法等技术，自动识别福寿螺卵，并控制高压水枪发射高压水流冲掉福寿螺卵，这种新型的防治办法可以减轻人力负担，创造经济效益；减少化学药剂的使用，保护自然资源。最终实现降低福寿螺这一入侵物种对农业以及对水生生态环境的危害的目的。

关键词：福寿螺；水上机器人；入侵物种；清理；农业生态系统

根据全球入侵生物数据库可知，福寿螺为世界性最严重的100种入侵生物之一。中国国家环保总局将福寿螺列为重大危险性农业外来入侵生物之一。福寿螺几乎在水稻的整个生育期都会产生危害，幼苗到分蘖期为主害期，幼螺和成螺会咬食水稻叶及分蘖，使水稻因为分蘖降低而减少了有效穗进而造成减产。现有的防治手段都有其缺点和局限性，比如人工防治，此方法不仅费时费力，而且在农村劳动力短缺的情况下，很难通过人工防治方法达到防控福寿螺蔓延的效果。因此本文设计一种清理福寿螺水上机器人。

1.国内外研究现状和发展动态

1.1、目前，福寿螺问题已成为全球性的生态环境难题。在国内，对多个地区的农业发展以及生态环境造成了严重危害。国际上，亚洲、澳大利亚和美洲等地区也面临着类似的问题。

1.2、目前市场上尚未出现与我们所研发的水上机器人相同的产品，一些机械清除方法虽已被应用于福寿螺的防治之中，如手工采摘、高压水枪清除等。但这些方法效率低下、耗时费力且无法进行批量处理。

1.3、随着科技的不断进步和人们对环境保护意识的不断提高，水上机器人已经成为环保领域的研究热点之一。

1.4、随着水上机器人行业的快速发展，控制系统、传感器、能源系统等技术的不断成熟和应用，使得机器人在清理效率、能耗、安全性等方面均有了明显提高。未来，水上机器人将继续发挥其优势，在环保领域中发挥更大的作用，同时也将向智能化、自主化方向发展。

2.项目创新点与特色

2.1、采用水上机器人进行福寿螺防治是一种全新的方法，可以避免传统人工清理方式效率低下、耗时费力等问题。

2.2、水上机器人配备水枪系统，能够以高压水流对福寿螺卵进行快速清理，有效降低了清理成本和时间，同时也减少了清理过程中对环境的影响。

2.3、智能控制系统为机器人提供了自主运行和作业功能，具备了对清理区域的感知、路径规划和定位等能力，大大提高了清理效率和可靠性。

2.4、机器人结构紧凑、操作灵活，适用于各种不同的水上环境，可以通过多种通讯方式进行远程控制和监测，能够满足不同客户和应用场景的需求。

2.5、该项目的研发和应用具有重要的实践意义和社会价值，可以有效提高水上生态环境的健康程度，为推动可持续发展做出积极贡献。

图1：机器人图

3.技术路线分析

3.1、设计机器人原型：采用软件进行机械结构设计以及模拟仿真；确定水枪系统和喷头的参数，以确保清理效率和安全性。

3.2、制造机器人原型：采用3D打印等技术制造机器人零部件，并进行装配和调试。

3.3、智能控制系统开发：以esp32芯片作为主控芯片。以esp32芯片作为主控芯片。以k210开发板作为视觉识别模块，实现自动识别福寿螺卵。通过主控芯片结合识别到的信息对福寿螺卵发射高压水流。加装4G模块和GPS定位模块，实现远程监督以及远程控制功能功能。

3.4、软件编写及调试：以下是大致的软件流程以及相关说明。

获取图像：将k210开发板与esp32芯片通过串口连接。在esp32芯片上通过串口发送指令，控制k210开发板调用相关函数进行图像的实时获取。

进行图像处理：k210开发板通过加载预训练的YOLO2模型对图像进行处理，识别图像中的福寿螺卵。检测结果包括目标的坐标和置信度。

发送识别结果：将福寿螺卵的位置信息通过串口发送给esp32芯片。

发射高压水流：esp32芯片接收到识别结果以及对应的位置信息后，通过函数计算，控制高压水枪的各项参数，将高压水流喷向福寿螺卵的所在位置。

实现远程监督：使用4G模块和GPS模块，将实时图像以及当前位置发送给使用者的终端。

实现远程控制：通过终端设备以及4G模块将控制指令发送到esp32芯片，实现远程控制功能。

图2：ai模型训练效果图

                             图3：系统流程图

总结：

1.传统的福寿螺清理方式效率低下、耗时费力，很难满足大规模清理任务的需求，我们开发了一种高效、可靠、自动化的清理福寿螺水上机器人。

2.传统的化学药剂清理方式会对水生生态环境造成损害，而水上机器人清理福寿螺可以减少对生态环境的影响，促进可持续发展。

3.传统的人工清理方式需要大量的人力物力投入，并且人在水上作业时存在一定的安全隐患，使用水上机器人清理福寿螺可以很好地降低人工成本和安全风险。

参考文献：

[1]杨琪.福寿螺厣盖刚度各向异性研究及仿生柔性机器人设计[D].中国地质大学(北京),2021.

[2]李金方,司丽丽,杨庆文. 螺旋渐进式水上清洁机器人设计方案研究[J]. 现代制造技术与装备,2009(3):13-15.

本文系国家级大学生创新创业训练计划项目“清理福寿螺水上机器人”研究成果，编号：202313021008