水中磁性垃圾清理裝置及其控制方法與流程

本發明涉及水中磁性垃圾回收技術領域，尤其是涉及一種具有吸附水底磁性垃圾功能的水中磁性垃圾清理裝置及其控制方法。

背景技術：
由于翻船或修造船等原因，在某些海域或河道的水底存在大量的磁性垃圾，磁性垃圾在海底或河道時間長了會逐漸腐蝕消失，導致大量的資源被浪費；但是傳統的沉船打撈方法費用高昂，如何使用簡易的裝置將埋藏在水底的磁性垃圾打撈上來，是目前迫切需要解決的技術問題。中國專利授權公開號：CN203714031U，授權公開日2014年7月16日，公開了一種吸附裝置，包括：具有一定厚度的裝置本體，所述裝置本體兩端內嵌有磁鐵。該發明的不足之處是，功能單一，不能用于水下吸附磁性垃圾。

技術實現要素：
本發明的發明目的是為了克服現有技術中的沉船打撈方法費用高昂的不足，提供了一種具有吸附水底磁性垃圾功能的水中磁性垃圾清理裝置及其控制方法。為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種水中磁性垃圾清理裝置，包括兩端封閉的長方體狀吸附體，分別設于吸附體兩端的第一氣囊和第二氣囊，設于吸附體內的微處理器、存儲器、翻轉開關、氣瓶、第一電機、第二電機、與第一電機相連接的兩個上凸輪和與第二電機相連接的兩個下凸輪，設于吸附體上表面上的兩個上挖掘足，設于吸附體下表面上的兩個下挖掘足，包覆于各個挖掘足之外的吸附體外周面上的磁鐵片和設于吸附體上的牽引環；所述翻轉開關包括密閉腔體，設于密閉腔體下部內的導電液體，位于液體內并與密閉腔體內壁絕緣連接的兩個導電金屬片；兩個導電金屬片分別與微處理器電連接；每個挖掘足均包括與吸附體的軸心線相垂直的圓管和設于每個圓管中的可伸出圓管外端之外的伸縮桿，每個伸縮桿的長度均大于對應的圓管的長度，每個伸縮桿均通過彈性結構與對應的圓管相連接；兩個上挖掘足的2個伸縮桿上端分別與兩個上凸輪外周面相接觸，兩個下挖掘足的2個伸縮桿上端分別與兩個下凸輪外周面相接觸，圓管內側壁下部與伸縮桿之間設有環形密封板；氣瓶通過第一導氣管與第一氣囊相連通，氣瓶通過第二導氣管與第二氣囊相連通，第一導氣管上設有第一電磁閥，第二導氣管上設有第二電磁閥；每個圓管內端和吸附體之間均設有壓力傳感器，微處理器分別與第一電機、第二電機、存儲器、各個壓力傳感器、第一電磁閥和第二電磁閥電連接。當氣囊中氣體量較少，氣囊處于收縮狀態；當氣囊中氣體量較多，氣囊會張開；氣囊體積的改變，使水施加在氣囊上的浮力改變，從而使2個氣囊和吸附體所構成的整體的浮力改變；可以根據吸附金屬量的多少而改變氣囊的體積，從而使吸附體和水底保持穩定的相對距離。氣瓶中盛有高壓氮氣，打開第一電磁閥及第二電磁閥，氮氣會自動進入第一氣囊和第二氣囊。各個壓力傳感器用于檢測吸附體施加給圓管的壓力，從而間接的檢測出水的浮力和吸附體的重力之間的關系，便于及時調整氣囊的體積，從而使吸附體和水底保持穩定的相對距離。翻轉開關和兩個電機的設置，使本發明可以根據吸附體的狀態的不同，控制位于吸附體上表面的兩個上挖掘足的2個伸縮桿伸縮運動或控制位于吸附體下表面的兩個下挖掘足的2個伸縮桿伸縮運動；同一時刻，兩個上挖掘足或兩個下挖掘足的伸縮桿伸縮運動，二者不會同時伸縮運動，節省了電能。用繩索將牽引環與船連接起來，用船拖動本發明的吸附體移動；本發明的上、下挖掘足用于翻動水底的泥沙，從而使磁性垃圾露出水底的泥沙之外；磁鐵片用于吸附露出水底的泥沙之外的磁性垃圾；電機通過凸輪帶動伸縮桿伸縮，彈性結構用于給伸縮桿提供回縮的彈力；當伸縮桿伸出對應的圓管之外時，在伸縮桿的支撐下，吸附體會跳離水底，伸縮桿可能垂直跳起也可能傾斜跳起，從而使吸附體在水底呈曲線狀跳躍式前進，吸附體移動的軌跡并非與船移動的直線軌跡一樣，增加水底搜索的范圍，提高了磁性垃圾回收效率，并且跳躍式前進減少了吸附體與水底的摩擦，吸附體不易損壞，減少了吸附體對水底的破壞。氣瓶中盛有高壓氮氣。并且在吸附磁性垃圾過程中，微處理器控制壓力檢測及充氣，當達到一定的充氣次數時，說明吸附體已經吸附了一定重量的磁性垃圾可以停止吸附作業了；微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥打開，氣瓶持續向第一氣囊和第二氣囊充氣直至吸附體浮出水面為止；當船中的操作人員發現吸附體已經浮在水面時，可以控制船返航；達到吸附標準可以自動上浮，操作簡單、智能化高。因此，本發明具有磁性垃圾回收效率高，不易損壞，回收成本低；達到吸附標準可以自動上浮，操作簡單、智能化高、節省電能的特點。作為優選，所述吸附體兩端分別設有半圓形腔體，每個半圓形腔體均包括弧形板和與弧形板相連接的上半圓形金屬網、下半圓形金屬網；所述第一氣囊、第二氣囊分別位于兩個半圓形腔體內。作為優選，所述吸附體上設有與圓管數量相同的中空卡槽，每個圓管內端均設有用于與卡槽配合的若干個彈性凸起，每個卡槽的底面上均設有環形緩沖墊，每個壓力傳感器均位于對應的緩沖墊中。作為優選，所述彈性結構包括沿圓管軸向分布的2至5個徑向彈簧組，每個徑向彈簧組包括在圓管和對應的伸縮桿之間呈輻射狀分布的4條連接彈簧。作為優選，吸附體的橫截面呈長方形，第一電機和第二電機均為防水電機。一種水中磁性垃圾清理裝置的控制方法，包括如下步驟：(6-1)用繩索將牽引環與用于提供牽引力的船連接起來，使吸附體上表面向上進入水中，船拖動吸附體在水底移動；(6-2)在移動的過程中，兩個下挖掘足插入水底的泥沙中，在挖掘足的翻動作用下磁性垃圾露出泥沙之外，磁鐵片吸附磁性垃圾；(6-3)當微處理器檢測到兩個導電金屬片當前為電連接時，微處理器控制第二電機工作，2個下凸輪分別帶動2個下挖掘足的2個伸縮桿伸出，2個彈性結構分別帶動2個伸縮桿回縮，吸附體在水底呈曲線狀跳躍前進；當微處理器檢測到兩個導電金屬片當前為斷開時，微處理器控制第一電機工作，2個上凸輪分別帶動2個上挖掘足的2個伸縮桿伸出，2個彈性結構分別帶動2個伸縮桿回縮，吸附體在水底呈曲線狀跳躍前進；(6-4)在(6-2)至(6-3)的吸附磁性垃圾過程中，微處理器控制壓力檢測及充氣：存儲器中設有標準壓力范圍[A1，A2]，充氣次數閾值N，充氣次數序號為q，q初始值為0；各個壓力傳感器檢測圓管與吸附體之間的壓力，微處理器計算各個壓力傳感器檢測的壓力的平均值V；(6-4-1)當V≥A2，則微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥打開，氣瓶分別向第一氣囊和第二氣囊充氣；當V＜A1，則微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥關閉，使q的值增加1；當q＜N，轉入步驟(6-4-1)中；當q≥N，則轉入步驟(6-5)；(6-5)微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥打開，氣瓶持續向第一氣囊和第二氣囊充氣直至吸附體浮出水面為止。作為優選，還包括如下步驟：(7-1)存儲器中設有標準信噪比SNR標準，電機的轉軸轉速C1、轉速C2，C2＞C1；在吸附磁性垃圾過程中，設定壓力傳感器共為m個，則微處理器得到m個檢測信號，微處理器選取距離當前時刻B分鐘內的m個檢測信號Spect(t)；(7-2)數據處理：微處理器將m個檢測信號Spect(t)輸入一層隨機共振模型中，其中，V(x，t)為勢函數，x(t)為布朗運動粒子運動軌跡函數，a，b為設定的常數，ξ(t)是外噪聲，D是外噪聲強度，N(t)為內秉噪聲，為周期性正弦信號，A是信號幅度，f是信號頻率，t為運動時間，為相位，設微處理器計算V(x，t)對于x的一階導數和二階導數，并且使等式等于0，得到二層隨機共振模型：設定噪聲強度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0；計算得到A的臨界值為將A的臨界值代入一層隨機共振模型中，并設定X0(t)＝0，sn0＝0，用四階瓏格庫塔算法求解一層隨機共振模型，得到并計算其中，xn(t)為x(t)的n階導數，snn-1是S(t)的n-1階導數在t＝0處的值，snn+1是S(t)的n+1階導數在t＝0處的值，n＝1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；微處理器對x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)進行積分，得到x(t)，并得到x(t)在一層隨機共振模型和二層隨機共振模型組成的雙層隨機系統產生隨機共振時刻的位置xm值、與xm相對應的共振時刻t1及與t1所對應的噪聲D1，D1為D中的一個值；微處理器利用公式計算雙層隨機共振系統輸出的信噪比；其中，ΔU＝a2/4b；得到m個輸出信噪比SNR1，SNR2，…，SNRm；微處理器利用公式計算輸出信噪比誤差QEi，i＝1，2，...，m；微處理器計算滿足QEi≤5％的輸出信噪比誤差的個數M1；(7-3)做出判斷：若則微處理器控制電機以轉速C1旋轉；否則，微處理器控制電機以轉速C2旋轉；B分鐘后，返回步驟(7-1)。m個檢測信號可以表征吸附金屬重量變化過程，即表征當前水底的磁性垃圾含量，根據磁性垃圾含量來確定電機的轉速，從而確定吸附體跳躍的頻率；使磁性垃圾含量較多時電機轉速慢，磁性垃圾含量較少時電機轉速快，既提高了搜索效率，也保證水底磁性垃圾被較干凈的清理掉。作為優選，q為6至10，標準壓力范圍為[800g，10kg]。因此，本發明具有如下有益效果：(1)磁性垃圾回收效率高，不易損壞，回收成本低；(2)達到吸附標準可以自動上浮，操作簡單，智能化高，節省電能；(3)清理效果好，回收成本低。附圖說明圖1是本發明的一種結構示意圖；圖2是本發明的上凸輪和上挖掘足的一種結構示意圖；圖3是本發明的電機和凸輪的一種結構示意圖；圖4是本發明的圓管和伸縮桿的橫截面結構示意圖；圖5是本發明的卡槽、緩沖墊和圓管的一種結構示意圖；圖6是本發明的翻轉開關的一種結構示意圖；圖7是本發明的實施例1的一種流程圖；圖8是本發明的一種原理框圖。圖中：吸附體1、微處理器2、存儲器3、第一電機4、第二電機5、上凸輪6、下凸輪、轉軸7、翻轉開關8、上挖掘足9、下挖掘足10、磁鐵片11、牽引環12、密閉腔體13、導電液體14、導電金屬片15、圓管16、伸縮桿17、環形密封板18、第一電磁閥19、第二電磁閥20、壓力傳感器21、半圓形腔體22、弧形板23、金屬網24、卡槽25、彈性凸起26、緩沖墊27、徑向彈簧組28、連接彈簧29。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述。實施例1如圖1、圖3、圖8所示的實施例是一種水中磁性垃圾清理裝置，包括兩端封閉的長方體狀吸附體1，分別設于吸附體兩端的第一氣囊和第二氣囊，設于吸附體內的微處理器2、存儲器3、翻轉開關8、氣瓶、第一電機4、第二電機5、與第一電機的兩個轉軸7相連接的兩個上凸輪6和與第二電機相連接的兩個下凸輪，設于吸附體上表面的兩個上挖掘足9，設于吸附體下表面的兩個下挖掘足10，包覆于各個挖掘足之外的吸附體外周面上的磁鐵片11和設于吸附體上的牽引環12；吸附體的橫截面呈長方形，第一電機和第二電機均為防水電機。每個挖掘足均包括與吸附體的軸心線相垂直的圓管16和設于每個圓管中的可伸出圓管外端之外的伸縮桿17，每個伸縮桿的長度均大于對應的圓管的長度，每個伸縮桿均通過彈性結構與對應的圓管相連接；兩個上挖掘足的2個伸縮桿上端分別與兩個上凸輪外周面相接觸，兩個下挖掘足的2個伸縮桿上端分別與兩個下凸輪外周面相接觸，圓管內側壁下部與伸縮桿之間設有環形密封板18；吸附體兩端分別設有半圓形腔體22，每個半圓形腔體均包括弧形板23和與弧形板相連接的上半圓形金屬網24、下半圓形金屬網；第一氣囊、第二氣囊分別位于兩個半圓形腔體內。如圖6所示，翻轉開關包括密閉腔體13，設于密閉腔體下部內的導電液體14，位于液體內并與密閉腔體內壁絕緣連接的兩個導電金屬片15；一個導電金屬片與微處理器的1個高電位引腳a電連接，另一個導電金屬片與微處理器的1個低電位引腳b電連接；本實施例的導電液體采用含有Nacl的水。當兩個導電金屬片都浸入導電液體中時，2個導電金屬片導通，產生放電效應，使得高電位引腳a的電平降低，微處理器檢測出高電位引腳a的電平降低后，即可做出吸附體上表面向上的判斷；反之，當微處理器檢測出高電位引腳a的電平沒變后，即可做出吸附體下表面向上的判斷。如圖8所示，氣瓶通過第一導氣管與第一氣囊相連通，氣瓶通過第二導氣管與第二氣囊相連通，第一導氣管上設有第一電磁閥19，第二導氣管上設有第二電磁閥20；每個圓管內端和吸附體之間均設有壓力傳感器21，微處理器分別與第一電機、第二電機、存儲器、各個壓力傳感器、第一電磁閥和第二電磁閥電連接。各個壓力傳感器均為電阻應變式稱重傳感器。如圖5所示，吸附體上設有與圓管數量相同的中空卡槽25，每個圓管內端均設有用于與卡槽配合的4個彈性凸起26，每個卡槽的底面上均設有環形緩沖墊27，每個壓力傳感器均位于對應的緩沖墊中。吸附體內設有蓄電池，蓄電池與電機電連接。如圖4所示，彈性結構包括沿圓管軸向分布的2個徑向彈簧組28，每個徑向彈簧組包括在圓管和對應的伸縮桿之間呈輻射狀分布的4條連接彈簧29。如圖7所示，一種水中磁性垃圾清理裝置的控制方法，包括如下步驟：步驟100，用繩索將牽引環與用于提供牽引力的船連接起來，使吸附體上表面向上進入水中，船拖動吸附體在水底移動；；步驟200，在移動的過程中，兩個下挖掘足插入水底的泥沙中，在挖掘足的翻動作用下磁性垃圾露出泥沙之外，磁鐵片吸附磁性垃圾；步驟300，當微處理器檢測到兩個導電金屬片當前為電連接時，微處理器控制第二電機工作，2個下凸輪分別帶動2個下挖掘足的2個伸縮桿伸出，2個彈性結構分別帶動2個伸縮桿回縮，吸附體在水底呈曲線狀跳躍前進；當微處理器檢測到兩個導電金屬片當前為斷開時，微處理器控制第一電機工作，2個上凸輪分別帶動2個上挖掘足的2個伸縮桿伸出，2個彈性結構分別帶動2個伸縮桿回縮，吸附體在水底呈曲線狀跳躍前進；步驟400，在步驟200至步驟300的吸附磁性垃圾過程中，微處理器控制壓力檢測及充氣：存儲器中設有標準壓力范圍[800g，3000g]，充氣次數閾值N，N＝8，充氣次數序號為q，充氣次數閾值q，q初始值為0；各個壓力傳感器檢測圓管與吸附體之間的壓力，微處理器計算各個壓力傳感器檢測的壓力的平均值；步驟410，當壓力平均值≥3000g，則微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥打開，氣瓶分別向第一氣囊和第二氣囊充氣；當壓力平均值＜800g，則微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥關閉，使q的值增加1；當q＜8，轉入步驟410中；當q≥8，則轉入步驟500；步驟500，微處理器控制第一電磁閥及第二電磁閥打開，氣瓶持續向第一氣囊和第二氣囊充氣直至吸附體浮出水面為止。實施例2實施例2中包括實施例1中的所有結構及步驟，還包括下述步驟：步驟600，存儲器中設有標準信噪比SNR標準，電機的轉軸轉速C1、轉速C2，C2＞C1；在吸附磁性垃圾過程中，微處理器得到8個檢測信號，微處理器選取距離當前時刻5分鐘內的8個檢測信號的信號段構成8個檢測信號Spect(t)；轉速C1為2轉/分鐘、轉速C2為4轉/分鐘；步驟700，數據處理：微處理器將m個檢測信號Spect(t)輸入一層隨機共振模型中，其中，V(x，t)為勢函數，x(t)為布朗運動粒子運動軌跡函數，a，b為設定的常數，ξ(t)是外噪聲，D是外噪聲強度，N(t)為內秉噪聲，為周期性正弦信號，A是信號幅度，f是信號頻率，t為運動時間，為相位，設微處理器計算V(x，t)對于x的一階導數和二階導數，并且使等式等于0，得到二層隨機共振模型：設定噪聲強度D＝0，Spect(t)＝0，N(t)＝0；計算得到A的臨界值為將A的臨界值代入一層隨機共振模型中，并設定X0(t)＝0，sn0＝0，用四階瓏格庫塔算法求解一層隨機共振模型，得到并計算其中，xn(t)為x(t)的n階導數，snn-1是S(t)的n-1階導數在t＝0處的值，snn+1是S(t)的n+1階導數在t＝0處的值，n＝1，…，N-1；得到x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)的值；微處理器對x1(t)，x2(t)，…，xn+1(t)進行積分，得到x(t)，并得到x(t)在一層隨機共振模型和二層隨機共振模型組成的雙層隨機系統產生隨機共振時刻的位置xm值、與xm相對應的共振時刻t1及與t1所對應的噪聲D1，D1為D中的一個值；D是在[0，1]范圍內以0.01周期循環步進的一個函數，D的取值與時間相關，知道了t1時刻，D1就確定了；微處理器利用公式計算雙層隨機共振系統輸出的信噪比；其中，ΔU＝a2/4b；得到8個輸出信噪比SNR1，SNR2，…，SNR8；微處理器利用公式計算輸出信噪比誤差QEi，i＝1，2，...，8；微處理器計算滿足QEi≤5％的輸出信噪比誤差的個數M1；步驟800，做出判斷：若則微處理器控制電機以轉速C1旋轉；否則，微處理器控制電機以轉速C2旋轉；5分鐘后，返回步驟600。應理解，本實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。