[0001] 本申请涉及水面清理技术领域，特别是涉及一种水面垃圾清理船。

[0002] 当今水面垃圾污染问题日益严重，各地的水域遭受着大量漂浮垃圾的侵袭，尤其在与人类生活的关系更为密切的内陆河道和狭窄水域，垃圾更容易聚集，给生态系统和人
类健康带来了巨大威胁，因此无人垃圾清理船舶在执行危险和耗时的水上垃圾清理任务方
面具备重要应用价值。

[0003] 现有技术中，水面垃圾清理船有使用双明轮驱动的，一方面，双明轮驱动船在复杂水面环境中存在支撑不均衡、稳定性较差和容易倾斜等缺点，且其故障容忍性低，若出现某
个明轮损坏，船舶将会丧失行动能力；另一方面，双明轮驱动船的机动性较差，而且转弯时
往往需要较大的水域空间，其在小型狭窄水域内转弯困难甚至无法转弯。

[0049] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

[0050] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0051] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0052] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0053] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0054] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。

[0055] 根据本申请的一个方面，本申请的实施例提供了一种水面垃圾清理船，请一并参阅图1至图7，该水面垃圾清理船包括船体1、垃圾收集装置2、四个驱动装置3、控制装置4和
供电装置5，船体1顶面凹陷形成有用于容纳垃圾的容纳腔110；垃圾收集装置2安装在船体1
的端部，垃圾收集装置2用于将水面上的垃圾收集至容纳腔110内；四个驱动装置3分别安装
在船体1的四角处，驱动装置3用于驱动船体1作直线运动或转弯运动；控制装置4电连接于
垃圾收集装置2和驱动装置3；供电装置5电连接于垃圾收集装置2、驱动装置3和控制装置4。

[0056] 本申请实施例中，该水面垃圾清理船包括船体1、垃圾收集装置2、四个驱动装置3、控制装置4和供电装置5，四个驱动装置3分别安装在船体1的四角处可以提高船体1的平稳
性，与双明轮320驱动船相比较，四个驱动装置3来驱动船体1作直线运动或转弯运动，船体1
的机动性更高，转弯半径可以更小，转弯难度更低，使得本申请的水面垃圾清理船即使在狭
窄水域内也能简单、灵活地转弯，进而增大水面垃圾清理船可以到达的水面区域，提高狭窄
水域内垃圾的清理度。

[0057] 另一方面，四个驱动装置3分别通过控制装置4独立控制，四个驱动装置3提供不同的驱动力，实现了船体1的多样化移动，尤其是转动多样化。

[0058] 在一个实施例中，船体1由钢结构和盆体组成，钢结构中部设置有空缺，且其一端设置有连通空缺的缺口，盆体形成容纳腔110，盆体可拆卸或者可抽拉地安装在环形钢结构
的空缺内，当本申请的水面垃圾清理船收集满垃圾后，只需取出盘体即可倾倒垃圾，不必将
整个水面垃圾清理船翻转。

[0059] 在一个实施例中，请一并参阅图1和图2，驱动装置3包括明轮320和第一驱动电机310，明轮320设置在船体1的拐角处；第一驱动电机310用于驱动明轮320转动。

[0060] 具体地，明轮320是局部没水的推进器，其外形略似车轮，其水平轴置于水线之上，轮之周缘装有蹼板(或称桨板)。明轮320在操作时，其蹼板拨水向后，而自身受到水流的反
作用力，此反作用力经轮轴传至船体1，推船前进。

[0061] 示例性地，第一驱动电机310采用CHR‑GM37‑520直流碳刷齿轮电机，用于适应各种具体安装环境。

[0062] 进一步地，明轮320采用模糊控制和传统PID控制算法相结合的方式，以实现角速度的精确控制及旋转方向的动态调整，以使本申请的水面垃圾清理船在自动航行中具备自
动调整PID参数的能力，明轮320得以适应复杂的水面条件和航行需求，增强船舶机动性、可
操作性、实现全向移动并显著提升其运动精确性和抗干扰能力。

[0063] 进一步地，驱动装置3还包括设置在明轮320顶部的保护罩340，保护罩340通过支撑架固定在船体1上，主要用来防止明轮320转动飞溅水花。

[0064] 在其他的实施例中，根据实际需求，驱动装置3的明轮320可以用动力更强，控制更灵活的螺旋桨代替，在此不做唯一限定。

[0065] 可选地，第一驱动电机310和明轮320之间采用皮带传动、齿轮传动或链传动。

[0066] 优选地，请一并参阅图1和图2，第一驱动电机310和明轮320之间采用皮带传动机构330进行传动。

[0067] 具体地，请参阅图2，皮带传动机构330包括第一皮带轮331、转轴332、第二皮带轮333和皮带334，第一驱动电机310设置在船体1的顶面上，第一皮带轮331安装在第一驱动电
机310的输出轴上，转轴332处于船体1安装板的底部，转轴332的一端和明轮320连接在一
起，转轴332的另一端安装有第二皮带轮333，第一皮带轮331处于第二皮带轮333的正上方，
第一皮带轮331和第二皮带轮333之间的船体1上开设有避让孔，皮带334穿过避让孔并将第
一皮带轮331和第二皮带轮333连接起来。

[0068] 可以理解的是，船体1四角安装了四个明轮320来驱动船体1，可以提高船体1移动的灵活性，但是这也对明轮320的安装角度提出了考验。如果明轮320的驱动方向都朝向船
体1的正前方(本申请中以安装有垃圾收集装置2的一端为正前方)，虽然可以使船体1获得
较大的动力，但是船体1转弯比较困难；如果明轮320的驱动方向朝向船体1的斜前方，虽然
可以方便船体1的转弯，但会降低船体1的全速前进速度。

[0069] 在其他的实施例中，驱动装置3还包括用于控制明轮320朝向的旋转机构(图未示)，旋转机构包括旋转电机和转动架，旋转电机固定在船体1的安装板的顶面且其输出轴
贯穿至船体1的安装板的底部，转动架处于船体1的安装板的底部，且转动架的一端可转动
地安装在旋转电机的输出轴上，明轮320安装在转动架的另一端上，通过控制旋转电机转动
可以实现明轮320驱动方向的万向调节。

[0070] 进一步地，皮带传动机构330的转轴332包括第一轴和第二轴，第一轴和第二轴通过万向联轴器连接在一起，万向联轴器的中心和旋转电机的输出轴的中心重合。

[0071] 通过如上设置，四个明轮320均可以通过旋转机构灵活地调整驱动方向，当船体1需要较高的灵活性时，旋转机构根据移动需求灵活地调整各个明轮320的驱动方向，再独立
控制各个明轮320的驱动力来使船体1获得多样化的移动(特别是转弯)；当船体1需要较高
的移动速度时，旋转机构将所有明轮320的驱动方向都调整为朝向船体1的正前方，即可使
船体1获得最大的移动速度。

[0072] 在一个具体的实施例中，请一并参阅图4至图7，船体1的顶面具有中心点以及经过中心点并指向垃圾收集装置2的中心轴线，中心点在图4至图7中以O点示出，中心轴线在图4
至图7中以直线L示出，四个明轮320关于中心点呈中心对称分布，任意一个明轮320的驱动
方向均与中心轴线呈夹角设置。

[0073] 如此，根据移动需求，灵活地控制各个明轮320的驱动方向和驱动力，即可使船体1进行多样化形式的移动。本申请中，明轮320使船体1具有向前移动的趋势，则其驱动方向为
正向驱动；明轮320使船体1具有向后移动的趋势，则其驱动方向为反向驱动。

[0074] 在一个更为具体的实施例中，请一并参阅图4至图7，任意一个明轮320的驱动方向均与中心轴线呈45°夹角。

[0075] 下面，以船体1正向移动、右向移动、顺时针旋转和右前移动为例，对驱动装置3控制船体1多样化移动的原理进行解释说明：

[0076] 其中，四个明轮320关于中心点O呈中心对称分布，任意一个明轮320的驱动方向均与中心轴线L呈45°夹角。

[0077] 请参阅图4，图4中的四个明轮320分别安装在船体1的左前拐角、右前拐角、左后拐角和右后拐角处，左前拐角处的明轮320的驱动力为F1，F1指向船体1的右前方，F1可分解为
指向正右方的F1′和指向正前方的F1″；右前拐角处的明轮320的驱动力为F2，F2指向船体1的
左前方，F2可分解为指向正左方的F2′和指向正前方的F2″；左后拐角处的明轮320的驱动力
为F3，F3指向船体1的左前方，F3可分解为指向正左方的F3′和指向正前方的F3″；右后拐角处
的明轮320的驱动力为F4，F4指向船体1的右前方，F4可分解为指向正左方的F4′和指向正前
方的F4″。F1、F2、F3和F4的大小一致，因此F1′和F2′相互抵消，F3′和F4′相互抵消，船体1在F1″、F2″、F3″和F4″的共同作用下进行正向移动。

[0078] 请参阅图5，图5中的四个明轮320分别安装在船体1的左前拐角、右前拐角、左后拐角和右后拐角处，左前拐角处的明轮320的驱动力为F1，F1指向船体1的右前方，F1可分解为
指向正右方的F1′和指向正前方的F1″；右前拐角处的明轮320的驱动力为F2，F2指向船体1的
右后方，F2可分解为指向正右方的F2′和指向正后方的F2″；左后拐角处的明轮320的驱动力
为F3，F3指向船体1的右后方，F3可分解为指向正右方的F3′和指向正后方的F3″；右后拐角处
的明轮320的驱动力为F4，F4指向船体1的右前方，F4可分解为指向正右方的F4′和指向正前
方的F4″。F1、F2、F3和F4的大小一致，因此F1″和F3″相互抵消，F2″和F4″相互抵消，船体1在F1′、F2′、F3′和F4′的共同作用下进行正右移动。

[0079] 请参阅图6，图6中的四个明轮320分别安装在船体1的左前拐角、右前拐角、左后拐角和右后拐角处，左前拐角处的明轮320的驱动力为F1，F1指向船体1的右前方，F1可分解为
指向正右方的F1′和指向正前方的F1″；右前拐角处的明轮320的驱动力为F2，F2指向船体1的
右后方，F2可分解为指向正右方的F2′和指向正后方的F2″；左后拐角处的明轮320的驱动力
为F3，F3指向船体1的左前方，F3可分解为指向正左方的F3′和指向正前方的F3″；右后拐角处
的明轮320的驱动力为F4，F4指向船体1的左后方，F4可分解为指向正左方的F4′和指向正后
方的F4″。F1、F2、F3和F4的大小一致，因此船体1前端的F1″和F2″相互抵消，船体1前端在F1′和
F2′的共同作用下向右偏转，船体1后端的F3″和F4″相互抵消，船体1后端在F3′和F4′的共同作
用下向左偏转。因此，船体1在F1′、F2′、F3′和F4′的共同作用下进行顺时针旋转。

[0080] 请参阅图7，图7中的四个明轮320分别安装在船体1的左前拐角、右前拐角、左后拐角和右后拐角处，左前拐角处的明轮320的驱动力为F1，F1指向船体1的右前方，F1可分解为
指向正右方的F1′和指向正前方的F1″；右前拐角处的明轮320不进行驱动；左后拐角处的明
轮320不进行驱动；右后拐角处的明轮320的驱动力为F4，F4指向船体1的右前方，F4可分解为
指向正左方的F4′和指向正前方的F4″。F1、F2、F3和F4的大小一致，船体1在F1′和F4′的作用下
向正右方移动，船体1在和F4″的作用下向正前方移动。因此，船体1在F1′、F1″、F4′和F4″的共
同作用下进行右前移动。

[0081] 可以理解的是，根据实际移动需求合理地控制各个明轮320的驱动方向和驱动力大小，即可使船体1进行所需求的移动，例如正后移动、正左移动、左前移动、左后移动、右后
移动或逆时针转动等，在此不做唯一限定。

[0082] 在其他的实施例中，船体1上设置有支架120，支架120包括设置在船体1正上方的板体121和设置在板体121和船体1之间的支腿122，控制装置4和供电装置5设置在板体121
上，可以使控制装置4和供电装置5远离水面，降低液体溅到控制装置4和供电装置5上的可
能。

[0083] 在另一个实施例中，请参阅图1和图3，垃圾收集装置2包括滚筒210、第二驱动电机220、多行钩爪230和多个引导杆240，滚筒210可转动地安装在船体1的端部；第二驱动电机
220用于驱动滚筒210转动；多行钩爪230沿滚筒210的周向均匀分布并跟随滚筒210一同转
动，每行的多个钩爪230沿滚筒210的轴线方向依次间距分布，在钩爪230的转动过程中，钩
爪230钩取水面上的垃圾；多个引导杆240沿滚筒210的轴线方向依次间距分布在船体1上，
且多个引导杆240与任意一行的多个钩爪230交错分布，在钩爪230与引导杆240交错后，钩
爪230上的垃圾被转移至引导杆240上并从引导杆240上滑落至容纳腔110内。

[0084] 其中，引导杆240整体倾斜设置，且其朝向容纳腔110方向倾斜向下设置，以便于引导杆240上的垃圾可以向容纳腔110内自动滑落。

[0085] 进一步地，第二驱动电机220设置在板体121上，以使第二驱动电机220远离水面，降低液体溅到第二驱动电机220上的可能。

[0086] 可选地，第二驱动电机220和滚筒210之间采用皮带传动、齿轮传动或链传动。

[0087] 优选地，第二驱动电机220和滚筒210之间采用皮带传动。

[0088] 在另一个实施例中，请参阅图3，供电装置5包括蓄电池510和太阳能板520，蓄电池510安装在船体1上；太阳能板520安装在船体1上并电连接于蓄电池510，太阳能板520可以
将光能转化为电能，并将转化的电能传输至蓄电池510中储存起来，提高本申请的水面垃圾
清理船的续航能力。

[0089] 在一个具体的实施例中，请参阅图3，供电装置5还包括设置在太阳能板520和船体1之间的转向机构530，转向机构530用于调整太阳能板520的朝向，提高充电效率。

[0090] 具体地，转向机构530包括第一安装板531、第一旋转电机532、第二安装板533、第一分板5331、第二分板5332和第二旋转电机534，第一安装板531竖直设置并安装在板体121
上，第一旋转电机532安装在第一安装板531上，且第一旋转电机532的输出轴沿第一水平方
向延伸，第二安装板533包括第一分板5331和第二分板5332，第一分板5331垂直于第一水平
方向，第二分板5332平行于第二水平方向并竖直设置，第一分板5331安装在第一旋转电机
532的输出轴上，第二旋转电机534安装在第二分板5332上，且第二旋转电机534的输出轴沿
垂直于第一水平方向的第二水平方向延伸，太阳能板520安装在第二旋转电机534的输出轴
上。

[0091] 通过如上设置，第一旋转电机532可以控制太阳能板520沿着垂直于第一水平方向的面上转动，第二旋转电机534可以控制太阳能板520沿着垂直于第二水平方向的面上转
动。以便于工作人员能够根据自然环境的实际光照方向调整太阳能板520的朝向，使太阳能
板520尽可能多地接收光照。

[0092] 进一步地，太阳能板520上设置有光照传感器，光照传感器电连接于控制装置4，控制装置4根据光照传感器的检测数据自动判断光照方向，并自动调整太阳能板520的朝向。

[0093] 在另一个实施例中，请一并参阅图1和图2，水面垃圾清理船还包括第一图像收集装置6，第一图像收集装置6安装在船体1上并电连接于控制装置4和供电装置5，第一图像收
集装置6用于为垃圾收集装置2收集垃圾提供图像信息。

[0094] 在其他的实施例中，第一图像收集装置6旁还设置有照明装置9，照明装置9电连接于控制装置4和供电装置5，照明装置9使得本申请水面垃圾清理船在夜间也能正常工作。

[0095] 在另一个实施例中，请一并参阅图1和图2，水面垃圾清理船还包括机械爪装置7，机械爪装置7包括机械爪710和第二图像收集装置720，机械爪710安装在船体1上并电连接
于控制装置4和供电装置5；第二图像收集装置720，安装在机械爪710上并电连接于控制装
置4和供电装置5，第二图像收集装置720用于为机械爪710抓取垃圾提供图像信息。

[0096] 通过如上设置，通过第二图像收集装置720实时定位垃圾位置，机械爪710具有五个自由度可以准确抓取垃圾，可以将垃圾放置到容纳腔110中，机械爪710的加入实现了本
申请水面垃圾清理船在复杂水域可靠性工作。

[0097] 示例性地，机械爪装置7设置有两个，两个机械爪装置7分别设置在船体1的相对两侧。

[0098] 在另一个实施例中，请一并参阅图1和图2，水面垃圾清理船还包括设置在船体1上的浮筒8，浮筒8用于稳定船体1。

[0099] 示例性地，浮筒8设置有两个，两个浮筒8分别设置在船体1的相对两侧。

[0100] 其中，控制装置4包括主控板、深度学习的计算机视觉识别系统、航迹规划系统、返航检测系统和TDS水质检测模块。主控板包括树莓派和单片机；深度学习的计算机视觉识别
系统主要包括USB摄像头、OpenMV、树莓派和无线wife模块，用于实现垃圾的识别与定位从
而准确收集水面垃圾；航迹规划系统主要包括高精度差分北斗、USB摄像头和动力模块，用
于精确获取船舶位置信息并规划航行路径；TDS水质检测模块用于检测水质。

[0101] 其中，树莓派拥有图像获取及预处理、识别垃圾、串口通信发送数据等功能，单片机采用Arduino mega 2560，负责下位机控制，主要包括电机传动控制、舵机控制、满载检测
和串口通信等功能。

[0102] 示例性地，第一图像收集装置6和第二图像收集装置720均为上述的USB摄像头，其用于将垃圾的图片信息简单处理，交给树莓派进一步处理。

[0103] 进一步地，返航检测系统的传感器模块包括电量检测模块、压力传感器与激光测距模块，电量检测模块用于检测本申请的水面垃圾清理船是否应该返航，压力传感器用于
检测所收集垃圾的重量，激光测距模块用于判断容纳腔110内的空间是否填满，TDS水质检
测模块包括传感器和信号处理电路，用于获取水体的受污染程度信息。

[0104] 综上，一方面，本申请的水面垃圾清理船沿对角对称分布安装了四个明轮320，每个明轮320都由单独的电机控制旋转方向和转速。通过控制不同明轮320的不同转速和转
向，有类似麦克纳姆轮的效果，能够使船舶在保持艏向角不变的条件下，实现横向、纵向、斜
向等方向的全向式移动；甚至，本发明船舶如需运动到非艏向角方向点位时，可在艏向角不
变且无回转半径的条件下实现点位之间最短航程的移动，提升了无人船舶的机动性和垃圾
清理效率。

[0105] 另一方面，本申请的水面垃圾清理船为自动化控制的无人船舶，模糊控制与传统PID算法结合方式控制明轮320的角速度及旋转方向，是船舶实现精确全向移动的基础；还
通过改进Yolo v5深度学习算法，能够自动识别垃圾种类，提高了垃圾识别的准确性。

[0106] 另一方面，本申请的水面垃圾清理船结合了全向移动明轮驱动技术、无人化操作和传感器监测等技术，使得船舶在狭窄水域中具备了卓越的操控性能、机动性能和清理效
率。通过自主导航、自动识别和回收垃圾等功能，无人垃圾清理船舶能够较高效地清理水域
中的漂浮垃圾，并提供有价值的数据支持。

[0107] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0108] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护
范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。