智能制造科普创意创新大赛项目说明书

一、立项依据

海岸清除淤泥的意义有以下几个方面：

1.保护海岸生态环境：淤泥的堆积会导致海岸生态系统的破坏，影响海洋生物的栖息和繁衍。清除淤泥可以恢复海岸的自然状态，保护海洋生物的生存环境。 

2.维护海岸线的稳定：淤泥的堆积会导致海岸线的退缩和侵蚀，增加海岸地区的风险。清除淤泥可以保持海岸线的稳定，减少海岸地区的灾害风险。 

3.促进海岸旅游业发展：海岸是重要的旅游景点，清除淤泥可以提升海岸的美观度和可游览性，吸引更多游客前来观光和消费，促进当地旅游业的发展。

4.改善海岸水质：淤泥中含有大量的有机物和污染物，会对海岸水质造成污染。清除淤泥可以净化海岸水质，改善海洋环境。

保护海岸基础设施：淤泥的堆积会对海岸基础设施，如码头、堤坝等造成损害。清除淤泥可以保护海岸基础设施的完整性和稳定性，延长其使用寿命。

 

海岸清除淤泥是一项重要的海洋工程，旨在保护海岸线的稳定和生态环境的健康。随着全球海岸线的不断退化和淤积问题的加剧，海岸清除淤泥的需求也越来越大。

国内研究方面，中国在海岸清除淤泥领域已经取得了一定的研究成果。目前，国内研究主要集中在淤泥的成因、淤泥的物理性质和化学性质等方面。此外，还有一些研究关注淤泥的处理和利用技术，如淤泥的固化处理、淤泥的资源化利用等。然而，国内研究在海岸清除淤泥的技术和设备方面还相对滞后，需要进一步加强研究和开发。

   国外研究方面，一些发达国家在海岸清除淤泥领域已经取得了较为成熟的技术和设备。例如，美国、荷兰、日本等国家在海岸清除淤泥方面具有较强的研究实力和技术优势。这些国家主要关注淤泥的清除和处理技术，如机械清淤、水下挖泥、淤泥的处理和利用等。此外，一些国际组织和机构也在海岸清除淤泥方面进行了一些合作和研究，如联合国环境规划署、国际海洋组织等。 

市场现状方面，海岸清除淤泥市场的规模逐年增长。随着全球海岸线的不断退化和淤积问题的加剧，海岸清除淤泥的需求也越来越大。目前，海岸清除淤泥市场主要由政府和相关企业主导，政府负责制定政策和提供资金支持，企业负责实施清淤工程。然而，由于海岸清除淤泥的技术和设备相对滞后，市场上的竞争还不是很激烈。 

发展动态方面，海岸清除淤泥领域存在一些发展动态。首先，随着技术的进步和设备的更新，海岸清除淤泥的效率和效果将得到提高。其次，海岸清除淤泥的处理和利用技术将得到进一步发展，如淤泥的资源化利用、淤泥的固化处理等。此外，随着环境保护意识的增强，海岸清除淤泥的生态环境影响评价和监测也将得到加强。 

二、项目创新内容

1．项目总体思路

海岸清除淤泥机器人项目的总体思路可以分为以下几个步骤： 

1.项目需求分析：确定海岸清除淤泥的具体需求，包括清除的淤泥类型、清除的区域范围、清除的深度等。

2.机器人设计：设计一台能够在海岸地形上自主移动、清除淤泥的机器人。机器人应具备足够的稳定性和适应性，能够在不同地形和海洋环境下工作。 

3.机器人结构设计：确定机器人的结构和组成部件，包括底盘、传动系统、清除装置等。机器人应具备足够的承载能力和清除效率。 

4.机器人控制系统设计：设计机器人的控制系统，包括导航系统、传感器系统、控制算法等。机器人应能够实现自主导航、避障和定位等功能。

5.清除淤泥装置设计：设计一种适合海岸清除淤泥的装置，可以通过机器人的操作实现淤泥的清除和收集。装置应具备高效、安全和环保的特点。

6.机器人测试和优化：对设计的机器人进行实际测试，验证其性能和可靠性。根据测试结果进行优化和改进，确保机器人能够有效地清除淤泥。 

7.项目实施和运营：根据实际需求，将机器人投入到海岸清除淤泥的实际工作中。建立运营和维护体系，确保机器人的长期稳定运行。

 总体来说，海岸清除淤泥机器人项目需要从需求分析、机器人设计、装置设计、控制系统设计、测试优化等方面进行综合考虑，以实现高效、安全和环保的海岸淤泥清除工作。

 

2．可行性分析：项目的技术或实施可行性。

海岸清除淤泥机器人项目的技术可行性和实施可行性取决于多个因素，包括技术成熟度、成本效益、环境适应性和操作可行性等。 

技术可行性： 

1.机器人技术：目前机器人技术已经相当成熟，可以应用于各种环境中，包括海岸清除淤泥。 

2. 淤泥清除技术：已经存在多种淤泥清除技术，如吸泥船、挖泥船等，可以借鉴和应用于机器人项目中。 

3. 导航和定位技术：机器人需要具备准确的导航和定位能力，以便在海岸线上进行清除工作。

 成本效益： 

1.机器人项目的成本包括研发、制造、运营和维护等方面。需要进行成本效益分析，确保项目的投资回报率。 

2.与传统的淤泥清除方法相比，机器人项目可能具有更低的成本和更高的效率。 

环境适应性： 

1.机器人需要能够适应不同的海岸环境，包括海浪、潮汐、沙滩等。需要确保机器人的设计和材料能够耐受这些环境的影响。 

2.机器人项目还需要考虑对海洋生态系统的影响，确保清除淤泥的同时不会对生态环境造成负面影响。

操作可行性

3.机器人需要具备自主操作能力，能够在没有人类干预的情况下完成淤泥清除任务。 

4.操作界面和控制系统需要简单易用，以便操作人员能够轻松控制和监控机器人的工作。 

总体来说，海岸清除淤泥机器人项目在技术和实施上是可行的，但需要综合考虑各种因素，确保项目的成功实施和可持续发展。

 

3.本项目的特色与创新之处。

1.自主导航能力：机器人具备自主导航能力，可以根据海岸线的地形和淤泥分布情况进行路径规划，避开障碍物，高效地清除淤泥。 

2.多功能操作：机器人不仅可以清除淤泥，还可以进行其他海岸维护工作，如清理垃圾、修复海岸防护设施等，实现多功能操作，提高工作效率。 

3.浪等，根据实时数据调整工作策略，确保安全高效地进行清除工作。 

4.高效清除技术：机器人采用先进的清除技术，如水压喷射、机械刮板等，能够快速有效地清除淤泥，提高清除效率。 

5.数据分析与预测：机器人可以收集海岸淤泥的相关数据，并进行分析和预测，为海岸维护部门提供决策支持，帮助他们制定更科学的维护计划。

6.环保节能：机器人采用电动驱动，无需燃料，减少了对环境的污染，同时具备节能特性，降低了运行成本。 

总之，海岸清除淤泥机器人项目通过自主导航、多功能操作、智能感知、高效清除、数据分析与预测等技术的应用，实现了对海岸淤泥的快速、高效、智能化清除，具有较高的技术含量和创新性。

先通过智能车来收集、管理数据，并通过互联网、物联网技术将数据传输给数据终端，并进行分析来实现远程管理。也可在手机等移动终端上进行监测、管理。

1、理论设计计算

机械臂怎么到达该位置是我们主要解决的问题。方法如下：相机和机械手之间的标定，相机知道的是像素坐标，机械手是空间坐标系，所以手眼标定就是得到像素坐标系和空间机械手坐标系的坐标转化关系。手眼标定作用：建立相机坐标系和机械手坐标系之间的关系，即给机械手装上眼睛，让它去哪就去哪。九点标定直接建立相机和机械手之间的坐标变换关系。让机械手的末端去走这9个点得到在机器人坐标系中的坐标，同时还要用相机识别9个点得到像素坐标。这样就得到了9组对应的坐标。由下面的式子可知至少需要3个点才能求出标定的矩阵。

常用的标定方法有：九点标定

（1）标定，Halcon中进行9点标定的算子前面求出图像坐标

area_center(SortedRegions，Area,Row,Column)

Column_robot:= [275,225,170,280,230,180,295,240,190]

智能感知技术：机器人配备了各种传感器，可以实时感知海岸环境的变化，如水位、波机器人末端运动到9点的列坐标

Row_robot:= [55,50,45,5,0,-5,-50,-50,-50]

机器人末端运动到9点的行坐标vector_to_hom_mat2d(Row,Column,Row_robot,Column_robot,HomMat2D)

求解变换矩阵，HomMat2D是图像坐标和机械手坐标之间的关系

 

 

 

 

 

（2）

2、求解

affine_trans_point_2d(HomMat2D,Row2,Column2,Qx,Qy)

由像素坐标和标定矩阵求出机器人基础坐标系中的坐标

有些情况中我们看到相机固定在一个地方，然后拍照找到目标，控制机械手去抓取，这种就很好理解。我们也叫做eye-to-hand。

还有一种情况是相机固定在机械手上面，这种情况的标定过程实际上和相机和机械手分离的标定方法是一样的，因为相机拍照时，机械手会运动到相机标定的时候的位置，然后相机拍照，得到目标的坐标，再控制机械手，所以简单的相机固定在末端的手眼系统很多都是采用这种方法，标定的过程和手眼分离系统的标定是可以相同对待的。我们也叫做eye-in-hand。我们采用的就是eye-in-hand。

 

 

 

1.3 移动端深度学习系统

在移动端进行深度学习检测，会受局限在手机有限的存储空间和计算能力上。移动端CPU的计算能力往往要劣于高性能服务器上的计算能力，同时深度学习计算中包含了大量对的矩阵计算，本身具备了并行化执行的特点，很适合利用通用GPU计算来实现。在异构计算平台中，OpenCL 表现出了优异的性能与兼容性。同时基于Linux系统的安卓移动端系统提供了完整的OpenCL类库，很方便调用CPU+GPU的异构计算。

我们设计的系统框架图如图3-1所示，手机端运行Android系统，完成图像采集、模型加载、输入加载、通信功能及OpenCL异构并行调用功能，外部YOLO模型以字节流的方式加载进程序内存。同时移动端系统采用三层分层架构，分为应用层、控制层和并行处理层。应用层负责与用户交互的功能，包括视频采集和目标框输出。控制层负责各类输入参数的调度。并行处理层实现具体深度网络的并行运算。系统中采用Java编写安卓应用，其中如图3-2所示，Java使用JNI接口调用本地C语言库，C语言通过OpenCLLIB库将OpenCL内核调起。在使用移动端深度学习系统之前，需要将模型通过离线的方式预加载进手机中指定路径的文件系统。整体的执行流程如下所示:

i程序启动的时候自动加载网络模型，将每一层权重参数拷贝进入程序的控制层内存中。

ii应用层控制将摄像头采集的视频流截取视频帧，并转换为RGB 三个通道的像素浮点数，传送到控制层中。

iii控制层将模型权重参数和输入数据作为OponCL内核的 入参数传给并行处理层。

iv并行处理层根据每一层的类型作异构并行处理，并将传完的每一层数据回传给控制层。

v控制层计算预测框概率分布及坐标，并回传给应用层应用层将目标框锁定视频帧

 

本小节概括性的说明移动端深度学习系统的各模块组成，具体的模型选取和并行处理算法将在下面展开。

 

 

 

 

 OpenCL异构并行化深度网络实现

 OpenCL 是由Khronos组织推出的一个专门为并行异构计算而设计的开源工业级框架标准。在服务器、桌面端、移动设备和嵌入式系统出了包含常见的CPU处理芯片外，还包括其它额外的加速器设备如:GPU、FPGA或其它可编程器件。 OpenCL正是针对不同型号不同厂家加速器而设计提出的，在启用 OpenCL 的软件可以在同一时间调用所有支持OpenCL的处理器和加速器，从而达到计算峰值性能。OpenCL 针对计算机系统抽象出一个独立的OpenCL 模型，这个OpenCI模型可以被划分为如下三类:执行模型、存储器模型以及平台模型。各个模型平台互相协调，对外提供一致的异构并行计算。OpenCL 在高性能计算领域提供了许多好处，其中最为重要的是可移植性。被称为内核的OpenCL编码(即 OpenCL内核)可以在诸如Intel、AMD、Nvidia和IBM这些常见的制造商的GPU和CPU上执行。OpenCL平台模型的定义为,单个Host主机连接一个或 OpenCL设备。图3-4展示了单个Host和多个计算设备的关系图，其中对于每一个计算设备，里面又包含了多个计算单元，每一个计算单元中则包含了多个处理节点。

 

 

 

三、实施方案（不超过3000 字）

海岸清除淤泥机器人的实施方法可以分为以下几个步骤： 

1.传感器检测：机器人首先需要配备各种传感器，如激光雷达、摄像头等，用于检测海岸线上的淤泥情况。传感器可以实时获取海岸线上的淤泥厚度、密度等信息。 

2.路径规划：根据传感器获取的淤泥信息，机器人需要进行路径规划，确定清除淤泥的最佳路径。路径规划可以基于机器学习算法，根据历史数据和环境信息进行优化。

3.清除淤泥：机器人根据路径规划结果，使用清除淤泥的工具进行作业。工具可以是刮板、吸盘等，根据淤泥的性质选择合适的工具。机器人可以通过机械臂等装置进行操作，将淤泥清除到指定的容器中。 

4. 淤泥处理：清除淤泥后，机器人需要将淤泥进行处理。处理方法可以是分离固液、压实、干燥等，将淤泥变为可处理的固体物质。

 

 关键技术： 

1.传感技术：机器人需要配备各种传感器，如激光雷达、摄像头等，用于检测海岸线上的淤泥情况。 

2.路径规划技术：机器人需要根据传感器获取的淤泥信息，进行路径规划，确定清除淤泥的最佳路径。

3.机械臂控制技术：机器人需要通过机械臂等装置进行操作，将淤泥清除到指定的容器中。 4. 淤泥处理技术：机器人需要将清除的淤泥进行处理，将其变为可处理的固体物质。

4.

方案实现形态： 海岸清除淤泥机器人可以采用无人船、无人车等形态进行实现。无人船可以在海岸线上自由移动，进行淤泥清除作业；无人车可以在海岸线上行驶，进行淤泥清除作业。机器人可以通过自主导航系统进行定位和导航，实现自主作业。

四、应用前景分析（不超过500 字）

海岸清除淤泥机器人的发展前景非常广阔。以下是一些相关的发展前景： 

1.提高效率：传统的淤泥清除工作需要大量的人力和时间，而机器人可以通过自动化和智能化的方式提高工作效率。机器人可以在不间断的情况下工作，并且可以更快速地完成任务。 

2.降低成本：使用机器人进行淤泥清除可以降低人力成本和运营成本。机器人可以在没有人员监督的情况下工作，并且可以在较短的时间内完成任务，从而减少了人力资源的需求。 

3.提高安全性：淤泥清除工作通常存在一定的危险性，例如泥沙的不稳定性和海浪的冲击等。使用机器人可以减少人员的风险，提高工作的安全性。 

4.适应复杂环境：海岸清除淤泥机器人可以适应各种复杂的环境，如海浪、潮汐和不同类型的海底地形。机器人可以通过传感器和导航系统来感知和适应环境，从而更好地完成任务。

5.可持续发展：淤泥清除是海岸保护和环境保护的重要工作。使用机器人进行淤泥清除可以减少对自然资源的消耗，并且可以更好地保护海洋生态系统。总的来说，海岸清除淤泥机器人的发展前景非常广阔。随着技术的不断进步和应用的推广，机器人将在海岸清除淤泥工作中发挥越来越重要的作用。