面向地表水水質(zhì)監(jiān)測的無人船系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)＊

吳述園，朱紅生，費曉昕，馬志堅，唐 萌

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 243005；2.南京理工大學自動化學院)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進程的加速，水環(huán)境的保護面臨著嚴峻的壓力。水質(zhì)監(jiān)測是保護水環(huán)境的重要舉措，通過檢測水體中所含污染物的種類、含量及其變化趨勢，對水體質(zhì)量狀況進行評價，進而為水環(huán)境的治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前常用的水質(zhì)監(jiān)測方法主要有人工取水、浮標監(jiān)測和建立監(jiān)測站三種。人工取水主要是使用船只搭載監(jiān)測人員與監(jiān)測設(shè)備，前往監(jiān)測點采集水樣并送往實驗室進行檢測。人工取水精度高、指標全，但只適用于開闊水域，采樣密度和效率均較低，數(shù)據(jù)需人工記錄，且無法把水質(zhì)數(shù)據(jù)與地理位置數(shù)據(jù)準確關(guān)聯(lián)。浮標監(jiān)測是利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集并發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)固定點水質(zhì)的全天候監(jiān)測。該方法也僅能監(jiān)測特定點的數(shù)據(jù)，靈活性欠佳。監(jiān)測站在數(shù)據(jù)測量的精度、廣度等方面更勝一籌，但在造價、維護成本及對人工需求度等均較高。而智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展為水質(zhì)監(jiān)測提供了新的解決途徑。

針對上述方法存在的局限性，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于智能無人船的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，分為無人船子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和岸基子系統(tǒng)三部分。無人船子系統(tǒng)包括船體選型設(shè)計、動力部分元器件選型和設(shè)計等；通訊子系統(tǒng)基于4G模塊搭建通訊網(wǎng)絡(luò)，作為無人船和岸基子系統(tǒng)通訊的橋梁；岸基子系統(tǒng)負責對無人船做路徑規(guī)劃。實驗表明，該系統(tǒng)操控性好、數(shù)據(jù)采集靈活度高、數(shù)據(jù)管理方便，滿足水質(zhì)監(jiān)測需求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本方案以Pixhawk4 作為控制板，并對船體結(jié)構(gòu)和相關(guān)元器件進行設(shè)計和選型，實現(xiàn)了一款可以自動巡航或遙控巡航方式航行的無人船，能夠搭載多種水質(zhì)傳感器采集目標水域水質(zhì)數(shù)據(jù)，并基于4G技術(shù)搭建通信子系統(tǒng)，為無人船和岸基子系統(tǒng)之間提供控制信號和數(shù)據(jù)的傳輸。岸基子系統(tǒng)由地面站軟件Mission Planner 軟件和數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成，前者實現(xiàn)了對檢測點路線的規(guī)劃，后者則對數(shù)據(jù)進行存儲、顯示、檢索等管理操作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖及系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 無人船船體子系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 船體設(shè)計指標

針對實際水質(zhì)監(jiān)測需求，需要考慮以下因素：

⑴作為水質(zhì)檢測傳感器的載體，內(nèi)部應當預留足夠的空間以便用來放置各種傳感器和元器件；

⑵船體材質(zhì)應當滿足在小型碰撞下不變形，長時間在水中行駛不滲水且船體重量應盡可能輕便的特點；

⑶易于操控且便于后期擴展。

結(jié)合以上因素，對無人船設(shè)計提出了以下指標及要求，如表1所示。

表1 船體與動力模塊設(shè)計指標要求

2.2 無人船船體選型

根據(jù)上述要求，首先對船體及其材料進行選型。目前市面上主流的船體形狀分為單體式和雙體式，單體式船船體構(gòu)造簡單，技術(shù)成熟，密封性好，但內(nèi)部空間小，不能放置過多的元器件；雙體式由兩個的船體通過連接倉連結(jié)而成，結(jié)構(gòu)相對復雜，但其內(nèi)部空間大，能夠裝載更多設(shè)備，且穩(wěn)定性和操控性更好。

綜合分析，本設(shè)計選用結(jié)構(gòu)相對簡單的單體式船體，材質(zhì)選用聚乙烯材質(zhì)，便于后續(xù)對船體進行改裝以便增添器件，船體如圖3所示。

圖3 無人船船體圖

2.3 無人船的主控板及動力單元

主控板作為接受和發(fā)送航行指令、控制無人船航行的核心，在整個無人船系統(tǒng)中扮演者十分重要的角色。本設(shè)計采用Pixhawk4 控制板，因其擁有32 位STM32F765FPU 處理器芯片、非常豐富的硬件接口，如圖4所示。

圖4 Pixhawk4主控板的接口

為了滿足無人船在復雜水域作業(yè)的要求，本課題對無人船的動力系統(tǒng)進行了設(shè)計。關(guān)于推進方式的選擇，比較了差速驅(qū)動和涵道式驅(qū)動兩種單體式無人船主流的推進方式，考慮到船體前進、后退和轉(zhuǎn)向等操控的靈活性，結(jié)構(gòu)的復雜度與經(jīng)濟性等因素，最終采用螺旋槳差速驅(qū)動的方式。

此外，因無人船作為移動平臺，需為業(yè)務預留4公斤載重裕度，通過前期對船體進行數(shù)學建模分析，綜合載重推算出需要的推力，從而確定電機和電調(diào)參數(shù)。本設(shè)計選用的兩個直流無刷電機，實際巡航速度下功率為80W～120W，峰值電流為時52A，通過Pixhawk4控制板輸出的PWM 信號進行控制。根據(jù)上述直流無刷電機的型號，選取合適的電子調(diào)速器，所選的電調(diào)輸出峰值電流為70A～80A，電調(diào)電壓范圍為7.4V～24V。此外，根據(jù)系統(tǒng)器件的總功率和航行時間計算電池容量，本設(shè)計采用單個容量為5300mAh 的鋰電池組，額定電壓為22.2V，所選取的元器件如圖5所示。

圖5 動力單元元器件

3 通訊子系統(tǒng)設(shè)計

通信子系統(tǒng)負責將操控無人船的地面站子系統(tǒng)中的控制信息發(fā)送給無人船，并將無人船上采集的水質(zhì)信息發(fā)送至地面站。無人船在目標水域航行，檢測環(huán)境可能會存在信號差、電磁干擾等不利條件，所以選用合適的通訊方式極為重要。綜合考慮后，本設(shè)計采用華為4G模塊作為信號的收發(fā)器。

在傳輸數(shù)據(jù)過程中，為了實現(xiàn)對通訊數(shù)據(jù)大批量、快速處理和傳輸，僅僅依靠傳統(tǒng)的TCP/IP 的協(xié)議不能滿足課題需要，本課題引入MAVLINK通訊協(xié)議，對數(shù)據(jù)進行處理、加密，經(jīng)由4G 模塊在局域網(wǎng)內(nèi)經(jīng)行轉(zhuǎn)發(fā)，對端接收后對加密信息進行解密和處理，從而獲得所需要的信息。MAVLINK消息幀格式如圖6所示。

圖6 消息格式

由數(shù)據(jù)的傳輸方式可知，無人船和地面站需要在同一個局域網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，因此構(gòu)建安全穩(wěn)定的局域網(wǎng)是保證數(shù)據(jù)通訊可靠傳輸?shù)那疤帷＠肍RP 反向代理技術(shù)，將私網(wǎng)IP 替換成公網(wǎng)IP，利用組網(wǎng)技術(shù)，通過租借阿里云的服務器，將無人船和Mission Planner 地面站組建到一個局域網(wǎng)內(nèi)，保證二者之間可靠通訊。

4 地面站子系統(tǒng)

地面站子系統(tǒng)運行于上位機端的軟件，其功能包括：顯示無人船子系統(tǒng)的狀態(tài)信息、控制無人船子系統(tǒng)的運行、調(diào)試設(shè)置無人船子系統(tǒng)，以及規(guī)劃航線等。本設(shè)計選用開源的地面站Mission Planner，并在其基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。

地面站子系統(tǒng)分為控制主窗口、航線規(guī)劃主窗口和調(diào)試設(shè)置主窗口三部分，具體功能如下：

⑴控制主窗口如圖7所示，用于實時動態(tài)顯示無人船子系統(tǒng)運行信息，由運行狀態(tài)子窗口、運行位姿子窗口，以及通信連接子窗口等組成。運行信息主要由無人船子系統(tǒng)的位姿信息和狀態(tài)信息，以及攝像頭拍攝的視頻信息組成。運行狀態(tài)子窗口用于顯示無人船子系統(tǒng)運行信息和攝像頭拍攝的視頻信息。運行位姿子窗口將無人船子系統(tǒng)運行軌跡匹配地圖顯示。通信連接子窗口用于連接無人船子系統(tǒng)。

圖7 控制主窗口

⑵航線規(guī)劃主窗口如圖8所示，主要用于規(guī)劃航線，以及將航線發(fā)送至無人船子系統(tǒng)。其主要由航線規(guī)劃地圖子窗口與航點信息子窗口組成。其中航線規(guī)劃地圖子窗口可以直接使用上面的地圖點擊設(shè)置航點，進行航線規(guī)劃，完成后將航線信息保存為JSON格式，并發(fā)送給無人船子系統(tǒng)。航點信息子窗口用于顯示航點信息，以及可以設(shè)置無人船子系統(tǒng)運行到航點時的模式。

圖8 航線規(guī)劃主窗口

⑶調(diào)試設(shè)置主窗口如圖9所示，主要由調(diào)試子窗口與設(shè)置子窗口組成。調(diào)試子窗口用于無人船子系統(tǒng)運行調(diào)試，其中提供了速度、轉(zhuǎn)向、航跡等多種調(diào)試模式。設(shè)置子窗口用于設(shè)置無人船子系統(tǒng)各項參數(shù)。

圖9 調(diào)試設(shè)置主界面

5 系統(tǒng)的安裝及測試

5.1 無人船安裝及測試

安裝過程中首先要保證船體內(nèi)部布局合理，并為水質(zhì)檢測設(shè)備預留空位，并確保船體密封良好，元器件焊接牢固。首次試航采用DS18B20 溫度傳感器作為測試數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぞ撸瑹o人船安裝示意圖如圖10所示。

圖10 無人船安裝示意圖

為了測試所設(shè)計的無人船在實際環(huán)境下的航行效果，本實驗選定人工湖進行了航行試航。

實驗結(jié)果表明，船體航行穩(wěn)定，速度適中，滿足設(shè)計要求，試航過程如圖11所示。

圖11 無人船航行試驗

5.2 地面站子系統(tǒng)及其測試

地面站是運行于上位機的軟件，用于對無人船進行遠程操控，設(shè)置巡航路線，通過通信子系統(tǒng)與無人船進行數(shù)據(jù)和控制命令的交換。本課題采用開源的Mission Planner 地面站，實現(xiàn)了無人船自主航行模式下的航行路線規(guī)劃。

此外，通過主控板外接攝像頭，可將獲取的環(huán)境圖像通過通信子系統(tǒng)發(fā)回地面站，進行顯示，進而可實現(xiàn)基于圖像處理的自動避障，或由操縱者切換成手動模式進行控制，以保證無人船的航行安全。地面站測試如圖12 所示，其中可見無人船運行圖像、相關(guān)參數(shù)及攝像頭回傳的視頻等信息。

圖12 地面站測試

6 結(jié)束語

本文研究了無人船的現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)湖泊、河流開展檢測工作受環(huán)境條件影響過大的難題，設(shè)計制作了一款可搭載多臺檢測設(shè)備的無人船。實驗包含了船體的設(shè)計，控制板的選型以及元器件的安裝焊接，最后完成了船體實地調(diào)試。實驗結(jié)果良好，船體航行穩(wěn)定，實現(xiàn)了既定目標，為復雜河流、湖泊勘探及水質(zhì)分析提供了一種新的解決方案。后續(xù)期待更換較大的船體以攜帶更多的設(shè)備對水體進行更全面的監(jiān)測。