本发明涉及海洋漂浮垃圾清理技术领域，具体涉及一种针对近海漂浮垃圾清理的无人船及清理方法。
背景技术：
随着社会生产力和科学技术的迅猛发展，海洋受到了来自各方面不同程度的污染和破坏，日益严重的污染给人类的生存和发展带来了极为不利的后果，同时也给生态环境带来了极为严重的破坏，由此海洋垃圾清理受到巨大关注。其中海面漂浮垃圾主要为塑料袋、漂浮木块、浮标和塑料瓶等，根据统计结果表明，塑料类垃圾数量最多，占41％，其次为聚苯乙烯塑料泡沫类和木制品类垃圾，分别占19％和15％。而微型塑料垃圾更是无处不在的对海洋生物、人体造成巨大危害的垃圾。
从目前的海洋清污方面看，较为常见的海洋清污方法是渔船打捞和大型船舶机械。渔船打捞漂浮垃圾的清污方法由于渔船自身船体较小，可承载的垃圾少，需要调用较多的人力。大型船舶机械的清污方法，一方面排放量大，易造成二次污染；另一方面清理小规模的垃圾成本较高。并且这两种清理方式都对微型塑料垃圾无法清理。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的清理效率低，清理不全面的不足，提供一种针对近海漂浮垃圾清理的无人船，它是一种针对近海领域的多级清漂装置，采用负压原理与反冲洗清理系统，能自主完成垃圾监测、漂浮垃圾清理、垃圾收集作业。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种针对近海漂浮垃圾清理的无人船，包括船体、漂浮垃圾清理装置、微型塑料垃圾清理系统和负压系统；
所述船体采用双体船结构，包括两个片体和连接两个片体的甲板桥；
所述漂浮垃圾清理装置包括桶体外壳以及安装于所述桶体外壳内的漂浮垃圾收集篓；
所述微型塑料垃圾清理系统包括微型塑料清理膜和反冲洗清理装置，所述反冲洗清理装置包括进水管、排水管、微粒回收箱和排污管；所述微粒回收箱内设有隔板将箱体分为清水箱和污水箱；所述进水管内设有第一电控阀门，进水管一端与所述桶体外壳下端相连，进水管另一端与所述排水管相连，排水管与所述微粒回收箱的清水箱相连；所述微型塑料清理膜设置于进水管与排水管之间；所述排污管一端与进水管连通、另一端与微粒回收箱的污水箱连通，排污管中设有第二电控阀门；
所述负压系统包括双向泵，所述双向泵设置于所述微粒回收箱的清水箱与排水管相接处。
上述方案中，所述两个片体的前端分别安装有弧形的格栅，两侧格栅形成括弧状用于聚拢漂浮垃圾；所述漂浮垃圾清理装置设置于船体前端、并位于所述格栅之后；所述微型塑料垃圾清理系统设置于所述甲板桥下。
上述方案中，所述微型塑料清理膜包括不锈钢过滤层、氯丁胶支撑层、尼龙过滤层；所述不锈钢过滤层为环状，位于最外层，用于过滤直径大于10毫米的杂质；所述氯丁胶支撑层为环状，位于所述不锈钢过滤层内侧，用于进一步阻挡直径0.5～10毫米的塑料微粒，同时有效限制所述尼龙过滤层的扩张；所述尼龙过滤层为单层，位于所述氯丁胶支撑层内侧，用于清理100微米到0.5毫米的塑料微粒。
上述方案中，所述微粒回收箱的污水箱上部安装有水位计。
上述方案中，所述漂浮垃圾收集篓的下端安装有压力传感器。
上述方案中，所述微型塑料清理膜一侧设有计量装置。
上述方案中，所述微粒回收箱的清水箱上端设有溢流孔。
上述方案中，所述无人船还包括自主监控系统，所述自主监控系统包括图像获取装置和微型计算机，均位于所述甲板桥上；所述图像获取装置包括电荷耦合相机和电动两自由度云台，所述电荷耦合相机安装于所述电动两自由度云台上。
本发明还提出一种针对近海漂浮垃圾清理的无人船进行，包括以下步骤：
s1、第一级清理：清理工作开始时，由负压系统的双向泵产生负压，将装置附近的水及垃圾吸入漂浮垃圾清理装置内，中大型漂浮垃圾经第一级清理，留在漂浮垃圾收集篓内，经过第一级清理后的水进入微型塑料垃圾清理系统，进行第二级清理；
s2、第二级清理：经第一级清理后的水进入进水管，经微型塑料清理膜过滤后，水经排水管进入微粒回收箱的清水箱，多余的水从箱体上端的溢流孔流出；
s3、反冲洗作业：通过计量装置实时监测微型塑料清理膜处的流量情况，当流量降低到临界值时，通过自主监控系统控制装置进行反冲洗工作，当进行反冲洗清理时，进水管内的第一电控阀门关闭，排污管内的第二电控阀门打开，双向泵反向工作，将清水箱内的净水沿排水管抽回，用于清洗微型塑料清理膜，清洗后的污水通过排污管进入微粒回收箱的污水箱；
s4、当计量装置检测流量恢复到正常值时，微型塑料垃圾回收完成，通过自主监控系统控制第一电控阀门打开，第二电控阀门关闭，负压系统的双向泵恢复正向工作，清理工作继续；
s5、当水位计或压力传感器监测的数据达到临界值时，由自主监控系统控制装置停止工作，无人船完成本次清理并返航。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用负压原理，能有效应对多种漂浮垃圾；采用新式的微型塑料垃圾清理系统，通过设置高效的清理膜与反冲洗清理系统，可有效清理微型塑料垃圾。
2、本发明的自主监控系统，通过电荷耦合相机与微型计算机相结合，利用电荷耦合相机实现对于污染程度的自动识别，清理作业过程中不需要操作人员进行控制和监视，减少人力工作量的同时，提高了水体清污的效率，降低了能源消耗率，对于缓解海洋环境污染具有重大意义。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明针对近海漂浮垃圾清理的无人船的整体结构示意图；
图2是图1所示无人船的漂浮垃圾清理装置的结构示意图；
图3是图1所示无人船的微型塑料垃圾清理系统的结构示意图；
图4是图3所示微型塑料垃圾清理系统的微型塑料清理膜的结构示意图。
图中：11、片体；12、甲板桥；13、格栅；20、漂浮垃圾清理装置；21、桶体外壳；22、漂浮垃圾收集篓；23、导流槽；30、微型塑料垃圾清理系统；31、微型塑料清理膜；311、不锈钢过滤层；312、氯丁胶支撑层；313、尼龙过滤层；32、反冲洗清理装置；321、进水管；322、第一电控阀门；323、排水管；324、微粒回收箱；3241、清水箱；3242、污水箱；325、隔板；326、排污管；327、第二电控阀门；41、双向泵；42、抽水管带；51、图像获取装置；52、微型计算机；61、压力传感器；62、水位计；63、计量装置；71、推进装置；81、太阳能电池组件；82、蓄电池。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，为本发明一较佳实施例的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，包括船体、漂浮垃圾清理装置20、微型塑料垃圾清理系统30、负压系统、自主监控系统、监测系统、动力系统和供能装置。
船体采用双体船结构，包括两个片体11以及连接两个片体11的甲板桥12，两个片体11的前端分别安装有弧形的格栅13，两侧格栅13形成括弧状，用于聚拢漂浮垃圾。该无人船采用双体船结构，船身宽、稳性好，在风浪中航行安全、舒适，不会有翻船的危险。
漂浮垃圾清理装置20设置于船体前端、并位于格栅13之后，包括桶体外壳21、安装于桶体外壳21内的漂浮垃圾收集篓22、位于漂浮垃圾收集篓22下方的导流槽23，其主要清理对象为中大型漂浮垃圾。当装置运行时，附近漂浮垃圾随水流在负压作用下进入漂浮垃圾收集篓22内，水从篓上的小孔流入导流槽23，漂浮垃圾则留在篓内。
微型塑料垃圾清理系统30设置于甲板桥12下，包括微型塑料清理膜31和反冲洗清理装置32。反冲洗清理装置32包括进水管321、排水管323、微粒回收箱324和排污管326。微粒回收箱324内设有竖直的隔板325将其分成清水箱3241和污水箱3242，清水箱3241的上端盖设有溢流孔。进水管321内设有第一电控阀门322，进水管321一端与桶体外壳21下端相连，进水管321另一端与排水管323相连，排水管323与微粒回收箱324的清水箱3241相连。微型塑料清理膜31设置于进水管321与排水管323之间。排污管326一端与进水管321连通、另一端与微粒回收箱324的污水箱3242连通，排污管326中设有第二电控阀门327。
负压系统包括双向泵41和抽水管带42，双向泵41设置于清水箱3241与排水管323相接处，抽水管带42与双向泵41相连。
自主监控系统包括图像获取装置51和微型计算机52，均位于甲板桥12上。图像获取装置51由电荷耦合相机和电动两自由度云台组成，作业过程中云台自动摆动，由电荷耦合相机采集前方水域的图像，通过图像处理单元在图像处理软件的支持下将图像中的漂浮物位置，体积等信息传送至微型计算机52。通过微型计算机52控制双向泵41的工作。
监测系统包括压力传感器61、水位计62和计量装置63，三者均与微型计算机52相连，以将监测到的信号传送给微型计算机52。压力传感器61设置于漂浮垃圾收集篓22的下端，用于监测漂浮垃圾收集篓22的压力情况，当压力传感器61达到临界值时，由微型计算机52控制双向泵41停止工作。水位计62设置于微粒回收箱324的污水箱3242上部，具体安装于箱体上盖的下表面，用于监测污水箱3242内的水位情况，当水位计62达到临界值时，由微型计算机52控制双向泵41停止反向工作。计量装置63安装于微型塑料清理膜31一侧，用于监测微型塑料清理膜31处的流量情况，当计量装置63达到临界值时，由微型计算机52控制双向泵41开始反向工作，进行反冲洗作业。
动力系统包括两个小型推进装置71，位于船体后方的两侧。
供能装置包括太阳能电池组件81、蓄电池82，位于甲板桥12上方，太阳能电池组件81将太阳能转化成化学能储存于蓄电池82中，为无人船上的各个设备供电。
正常工作时，进水管321内的第一电控阀门322打开，排污管326内的第二电控阀门327关闭，在双向泵41的作用下，经过漂浮垃圾收集篓22和微型塑料清理膜31清理后的水进入微粒回收箱324的清水箱3241内，多出的水通过箱体上端的溢流孔溢出流回水域。当进行反冲洗清理时，进水管321内的第一电控阀门322关闭，排污管326内的第二电控阀门327打开，双向泵41反向工作，将清水箱3241内的净水沿排水管323抽回，用于清洗微型塑料清理膜31，清洗后的污水通过排污管326进入微粒回收箱的污水箱3242。
进一步优化，本实施例中，微型塑料清理膜31由多个过滤层组成，包括不锈钢过滤层311、氯丁胶支撑层312、尼龙过滤层313。不锈钢过滤层311为环状，位于最外层，用于保护中间的滤层，并过滤直径大于10毫米的杂质。氯丁胶支撑层312为环状，位于不锈钢过滤层311内侧，用于进一步阻挡直径0.5～10毫米的塑料微粒。氯丁胶支撑层312具有良好的物理机械性能，耐油，耐热，耐酸碱，同时具有较高拉伸强度，能有效限制尼龙过滤层313的扩张，防止尼龙过滤层313因水流冲击而过多扩张。尼龙过滤层313为单层，位于氯丁胶支撑层312内侧，用于清理100微米到0.5毫米的塑料微粒。尼龙材质延展性好，并且经济成本较低，目前的加工工艺成熟。
本发明还提出利用上述针对近海漂浮垃圾清理的无人船进行近海漂浮垃圾清理的方法，该方法具体包括以下步骤：
第一步，无人船收到开始作业信号后，电荷耦合相机开始收集前方海域的图片信息并上传至微型计算机52。
第二步，清理工作开始时，由负压系统的双向泵41产生负压，将装置附近的水及垃圾吸入漂浮垃圾清理装置20内，中大型漂浮垃圾经第一级清理，留在漂浮垃圾收集篓22内，经过第一级清理后的水经导流槽23引导进入微型塑料垃圾清理系统30内进行第二级清理。
第三步，进行第二级清理时，经第一级清理后的水进入到进水管321，经微型塑料清理膜31过滤后，水通过排水管323进入微粒回收箱324的清水箱3241，多余的水从箱体上方溢流孔流出。
第四步，计量装置63实时监测微型塑料清理膜31处的流量情况，当流量降低到临界值时，由自主监控系统控制装置进行反冲洗工作。
第五步，当进行反冲洗清理时，由自主监控系统控制进水管321内的第一电控阀门322关闭，排污管326内的第二电控阀门327打开，双向泵41反向工作，将清水箱3241的净水沿排水管323抽回，用于清洗微型塑料清理膜31，清洗后的污水通过排污管326进入微粒回收箱的污水箱3242。
第六步，当计量装置63检测流量恢复到正常值时，微型塑料垃圾回收完成。微型计算机52控制第一电控阀门322打开，第二电控阀门327关闭，负压系统的双向泵41恢复正向工作，清理工作继续。
第七步，当压力传感器61或水位计62监测的数据达到临界值时，由自主监控系统控制装置停止工作，无人船完成本次清理并返航。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
1.一种针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，包括船体、漂浮垃圾清理装置、微型塑料垃圾清理系统和负压系统；
所述船体采用双体船结构，包括两个片体和连接两个片体的甲板桥；
所述漂浮垃圾清理装置包括桶体外壳以及安装于所述桶体外壳内的漂浮垃圾收集篓；
所述微型塑料垃圾清理系统包括微型塑料清理膜和反冲洗清理装置，所述反冲洗清理装置包括进水管、排水管、微粒回收箱和排污管；所述微粒回收箱内设有隔板将箱体分为清水箱和污水箱；所述进水管内设有第一电控阀门，进水管一端与所述桶体外壳下端相连，进水管另一端与所述排水管相连，排水管与所述微粒回收箱的清水箱相连；所述微型塑料清理膜设置于进水管与排水管之间；所述排污管一端与进水管连通、另一端与微粒回收箱的污水箱连通，排污管中设有第二电控阀门；
所述负压系统包括双向泵，所述双向泵设置于所述微粒回收箱的清水箱与排水管相接处。
2.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述两个片体的前端分别安装有弧形的格栅，两侧格栅形成括弧状用于聚拢漂浮垃圾；所述漂浮垃圾清理装置设置于船体前端、并位于所述格栅之后；所述微型塑料垃圾清理系统设置于所述甲板桥下。
3.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述微型塑料清理膜包括不锈钢过滤层、氯丁胶支撑层、尼龙过滤层；所述不锈钢过滤层为环状，位于最外层，用于过滤直径大于10毫米的杂质；所述氯丁胶支撑层为环状，位于所述不锈钢过滤层内侧，用于进一步阻挡直径0.5～10毫米的塑料微粒，同时有效限制所述尼龙过滤层的扩张；所述尼龙过滤层为单层，位于所述氯丁胶支撑层内侧，用于清理100微米到0.5毫米的塑料微粒。
4.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述微粒回收箱的污水箱上部安装有水位计。
5.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述漂浮垃圾收集篓的下端安装有压力传感器。
6.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述微型塑料清理膜一侧设有计量装置。
7.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述微粒回收箱的清水箱上端设有溢流孔。
8.根据权利要求1所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船，其特征在于，所述无人船还包括自主监控系统，所述自主监控系统包括图像获取装置和微型计算机，均位于所述甲板桥上；所述图像获取装置包括电荷耦合相机和电动两自由度云台，所述电荷耦合相机安装于所述电动两自由度云台上。
9.一种近海漂浮垃圾清理方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-8任一项所述的针对近海漂浮垃圾清理的无人船进行，包括以下步骤：
s1、第一级清理：清理工作开始时，由负压系统的双向泵产生负压，将装置附近的水及垃圾吸入漂浮垃圾清理装置内，中大型漂浮垃圾经第一级清理，留在漂浮垃圾收集篓内，经过第一级清理后的水进入微型塑料垃圾清理系统，进行第二级清理；
s2、第二级清理：经第一级清理后的水进入进水管，经微型塑料清理膜过滤后，水经排水管进入微粒回收箱的清水箱，多余的水从箱体上端的溢流孔流出；
s3、反冲洗作业：通过计量装置实时监测微型塑料清理膜处的流量情况，当流量降低到临界值时，通过自主监控系统控制装置进行反冲洗工作，当进行反冲洗清理时，进水管内的第一电控阀门关闭，排污管内的第二电控阀门打开，双向泵反向工作，将清水箱内的净水沿排水管抽回，用于清洗微型塑料清理膜，清洗后的污水通过排污管进入微粒回收箱的污水箱。
10.根据权利要求9所述的近海漂浮垃圾清理方法，其特征在于，在步骤s3之后还包括：
s4、当计量装置检测流量恢复到正常值时，微型塑料垃圾回收完成，通过自主监控系统控制第一电控阀门打开，第二电控阀门关闭，负压系统的双向泵恢复正向工作，清理工作继续；
s5、当水位计或压力传感器监测的数据达到临界值时，由自主监控系统控制装置停止工作，无人船完成本次清理并返航。
技术总结