水質監管船的無人駕駛技術研究

陳玲 孟巧 周陳炎 袁萍

摘要：為解決水域環境更加復雜的水質監管問題，抓住現有水質監測裝置智能程度不高，綜合性不強，效率與質量無法并存等缺陷。考慮采用水質監管無人船代替人力進行操作，完成了水質監管船的整體設計方案，重點圍繞水質監管船的無人駕駛技術展開研究，確定采用GPS定位系統與INS慣性導航系統相結合的組合導航定位模式，同時采用RRT路徑規劃算法實現路徑規劃。只有落實無人駕駛技術的真正應用，才能推進水質監管船實現徹底解放人力的同時大幅提升水體檢測的效率與質量，促進水環境的可持續發展。

關鍵詞：無人駕駛;GPS;INS慣性導航;路徑規劃

一、引言

隨著國民經濟的發展，水環境問題日趨嚴重。《江蘇省水污染防治條例》已經于2021年5月1日起正式施行，條例將水環境保護工作作為政府的重點工作內容之一，明確保障水污染防治的財政投入，完善水污染防治制度，研究解決水污染防治重大事項。可見水環境保護越來越受到國家重視，水環境監測作為水環境保護的重要環節，對于水域的科學管理發揮著重要作用。

進入21世紀，世界各國均對水質監測領域開展深入研究，美國已經建成了覆蓋全國水質的自動化監測系統，實現了水質的實時監測和污染的預警功能。澳大利亞在其國內建立了水質監測網絡系統，基于系統實現了對水質的實時監測管理。日本已經完成自動水質監測站點建設，站點共計一百六十多座。國內水質監測系統的研究工作也是蓬勃發展，目前已經基本建立起水質監測網，能夠實現對主要流域的水質監測管理。

同時國內外加強研發針對水質監測的無人船系統，進一步提升水質監測的時效性和科學性，多家單位也已完成應用于水環境監測領域的無人船的設計與建造。美國麻省理工學院研發出“ARTEMIS”無人船，基于設置的導航系統和控制系統，配備諸多傳感器，實現水體數據的檢測與反饋[1]。英國普利茅斯大學某研究單位設計研發的“Springer”號[2]，即使在GPS信號丟失的情況下仍然能夠完成導航任務，完成沿海水域的水體數據檢測與反饋。我國自然資源部研究開發的“USBV”號[3]，上海大學研發的無人船可以實現深水區域的作業檢測。可見，目前無人船已經成為各國在水域作業方面研究的重點。

二、水質監管船的整體構成

水質監管船主要由雙體船、航行控制系統、無人機系統、水體監測系統、無線通信系統、地面站監控裝置等組成。該水質監管船可實現自主航行，通過GPS定位導航技術，結合INS慣性導航系統進行導航定位，采用RRT路徑規劃算法進行路徑規劃，利用船上的圖像識別裝置可以實時采集水域環境的影像。水質監管船的動力裝置位于船體尾部，采用常規動力雙螺旋槳的推進方式，以電力為動力，能源環保。水質監管船通過水體檢測系統實現對監測水域的水體檢測，通過無人機配備實現對遠程水域的航拍功能，通過船上搭載的多種傳感器及輔助設備實現對水質的自動采樣和參數pH值、溶解氧、電導率及溫度數據測量。基于無線通信系統可以完成無人船與地面站系統之間的數據傳輸，通過數據傳輸獲悉無人船的實時作業情況，水質監管船的主視圖如圖1所示。

水質監管船的船身主體采用小水線面雙體船，船身由兩個潛水體和一個水上箱體構成，其典型特征就是水線面積小、穩性好。由于遠離水表面的下潛體占據小水線面雙體船排水量大部分，當它在波浪中航行時，所受到的波浪擾動力比常規單體船和常規雙體船小很多。所以，小水線面雙體船的耐波性比同等排水量的單體船好，且橫搖周期長，經實船驗證小水線面雙體船橫向運動小。無人船的螺旋槳安裝在水下潛體尾部，螺旋槳工作區域伴流均勻，使得船身效率較高。水質監測船的水下單體設計是從船首V型過渡到船尾U型。船首采用V型設計，考慮到提升船首的橫向斜升角，這樣可以減小無人船的波浪沖擊阻力，從而提高船舶的航向穩定性，改善無人船的首部搖晃情況，提高無人船的適航性 [2]。船尾采用U型設計，考慮到U型設計有利于提高螺旋槳的推進效率，減小空泡的不良效應，提高無人船的航行速度，基于船身主體的設計方案完成的水質監管船的船體模型如下圖2所示。

三、無人駕駛技術研究

水質監管船的導航定位和路徑規劃作為無人駕駛的核心技術直接影響著船舶的安全航行。水質監管船的導航定位是其進行路徑規劃的前提和基礎，不僅要為船舶的路徑規劃提供起點，并且要監測水質監管船的實時運動狀態數據，當水質監管船遇到障礙物發生路徑調整重新復航時要實時提供位置信息。路徑規劃技術就是規劃水質監管船從初始點到目標點的一條安全航行路徑，該路徑可以有效規避水域環境中的障礙物，是一條安全、最優的水域路徑。研究水質監管船的無人駕駛技術重點就是研究導航定位技術和路徑規劃技術。

（一）導航定位技術

導航定位技術是在水質監管船航行的過程中實時獲取無人船的數據信息，包括位置信息、速度信息、姿態信息等，精準的數據信息獲取直接影響到水質監管船的航行，一旦出現導航定位的誤差，那么水質監管船航行安全得不到保障。目前普遍使用的導航定位技術主要包括GPS定位導航技術、INS慣性導航技術等，然而GPS定位導航技術和INS慣性導航技術均有著各自的優缺點。 GPS定位導航技術雖然定位精度高，但容易受到外界環境影響，一旦外界環境的網絡信號存在不穩定的狀態會直接影響定位的時效性。區別于GPS定位系統，INS慣性定位系統不容易受到外界環境的影響，它是基于自帶的傳感器裝置獲取數據信息，然而由于傳感器本身的固有誤差，隨著時間推移會導致定位誤差的存在。

基于單一導航定位技術優缺點的分析，同時考慮其在實際應用中存在的問題，水質監管船的導航定位采用GPS定位系統與INS慣性導航系統相結合的組合導航定位模式。GPS定位系統是通過衛星為水質監管船提供實時的位置信息，主要包括：經度、緯度、航速、航向等相關數據[4]。當水質監管船處于信號不好的水域環境時，此時可以依賴INS慣性導航系統保持航行。水質監管船接收到的GPS經緯度數據（lat0，lng0）作為初始的位置數據，此時速度v0作為水質監管船的初始速度，航行時間后水質監管船速度為v（t），水質監管船的位置為（latT，lngT），具體公式如下（1）、（2）所示：

（1）

式中：為水質監管船在航行t時間后的加速度

（2）

式中：為水質監管船在航行t時間后的航向角

此時基于INS慣性導航系統就可以獲得水質監管船的下一目標位置，因此通過這種GPS定位系統與INS慣性導航系統相結合的定位模式可以彌補單一定位系統的不足，可以實際應用到水質監管無人船上，實現水質監管無人船的高精度定位，實時高校獲取船的位置信息為路勁規矩奠定有效基礎。

（二）路徑規劃技術

路徑規劃技術是無人船技術研究的核心問題，路徑規劃是指水質監管船在水域環境中能夠按照一定的標準，搜索出能夠繞開航行過程中遇到的未知障礙物的最優或次優路徑[5]。路徑規劃的精準度直接關系著水質監管船的安全航行，同時決定了水質監管船完成水體檢測作業任務的效率。目前的路徑規劃算法有人工勢場法[6]、神經網絡法[7]、遺傳算法[8]等，水質監管船采用快速搜索隨機樹算法（Rapidly-exploring Random Tree），簡稱RRT算法。RRT算法是典型的采樣規劃算法，無需對搜索空間進行劃分，可以盡可能探知未知區域，首先以狀態空間中的初始點作為整個搜索樹的根節點，然后根據設置函數在搜索區域中生成一個隨機點，基于設定約束條件尋找搜索其在搜索樹上的父節點。接著基于設置的約束，系統在父節點與隨機點之間得到新的節點。最后確定產生的新節點是都能夠達到目標位置，如果能那就形成一條規劃路徑，如果不能那么重復上述操作步驟，直到產生的新節點滿足要求為止。RRT算法擴展樹的具體結構如圖3所示。

添加到搜索樹中的新節點在時間范圍不斷迭代，如果不在終點允許范圍內會繼續添加新節點;如果新節點在終點允許的范圍內，那么返回隨機樹以及路徑，規劃成功，具體如圖4所示。

四、結束語

水域環境的科學管理，水資源的可持續利用是社會、經濟可持續發展的重要基石。目前國家越來越重視水環境問題，積極發布相關政策推定水域的科學管理，水質監測作為水環境管理的重要任務，是一項長期艱巨的項目工程。隨著科技的跨越式發展，水質監測行業已經融入了物聯網、大數據等最新的技術。水質監管無人船的開發與設計具有無限的發展前景，圍繞其開展無人駕駛技術的研究至關重要。水質監管船搭載GPS/INS組合導航定位模塊實現無人船的精準定位，基于RRT算法實現無人船的路徑規劃，通過導航定位技術和路徑規劃技術實現水質監管的無人駕駛技術。只有實現無人駕駛技術的真正應用，才能推進水質監管船實現徹底解放人力的同時大幅提升水體檢測的效率與質量。

作者單位：陳玲? ? 孟巧? ? 周陳炎? ? 袁萍? ?南通理工學院 電氣與能源工程學院

參? 考? 文? 獻

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