（中國計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船

林群馥 傅隆亮 陳曉斌 曹 陽 林 建

（中國計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

本文針對目前國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測人員緊缺，監(jiān)測數(shù)據(jù)難以保證準(zhǔn)確性和實(shí)效性等問題，介紹了一種以太陽能作為動(dòng)力的無人駕駛水域環(huán)境監(jiān)測船，通過GPS、電子羅盤進(jìn)行定位及導(dǎo)航，GPRS與遠(yuǎn)程基站無線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程控制及無線通訊，并將監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)和船舶周邊影像傳回到基站或手機(jī)上。該監(jiān)測船可替代人完成偏遠(yuǎn)或惡劣環(huán)境下的全天候水域環(huán)境監(jiān)測，具有較好的應(yīng)用前景。

環(huán)境監(jiān)測；GPS導(dǎo)航；GPRS通信；太陽能

1 船體控制系統(tǒng)

船體在航行中受到風(fēng)，浪等影響，不能完全按照直線航行。所以通過電子羅盤，完成船與地磁北極夾角的測量并處理，保持船體的航向，同時(shí)通過GPS模塊得到的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確保船體在預(yù)期軌道上。

船體航向穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性往往是矛盾的。利用船體航向控制裝置就能較好的解決這個(gè)問題，也就是自動(dòng)操舵儀。電子羅盤測量船體的航向與預(yù)期航向的偏差信號，送入自動(dòng)舵系統(tǒng)，計(jì)算出所需的舵角指令信號，并控制舵機(jī)轉(zhuǎn)舵，船體開始改變航向，當(dāng)船體的航向與預(yù)期航向一致時(shí)，航向誤差為零，于是自動(dòng)舵輸出零舵角信號，舵機(jī)讓舵回到零位，使船在預(yù)期航向前行。

自動(dòng)舵可以把船的航向精確控制于設(shè)定航向。但是，當(dāng)船體收到橫向干擾力會(huì)使船產(chǎn)生了橫向平移，且自動(dòng)舵無法糾正船體橫向平移。此時(shí)我們加入GPS模塊對船體進(jìn)行控制，既形成了航跡舵控制系統(tǒng)。通過GPS模塊得到船體當(dāng)前的經(jīng)緯度，和預(yù)定軌跡比較，得到船與預(yù)定軌跡的距離，再利用模糊PID算法，從而重新控制船體運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤。船與預(yù)定軌跡距離d的計(jì)算公式如下：

d=（y-b）*cos（angle）-（x-a）*sin（angle）（1）

式中，x、y為預(yù)定軌跡上的一點(diǎn)的經(jīng)緯度，angle為預(yù)定軌跡與正東方向的夾角，順時(shí)針方向?yàn)檎?，a、b代表當(dāng)前船體的經(jīng)緯度，d為正代表船體在航跡的左邊。

以上對船的這一系列控制算法，保證了船的正確行駛。

2 能源供給系統(tǒng)

無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船是戶外運(yùn)行，具備使用太陽能的條件和潛力。太陽能是一種清潔能源，不對環(huán)境產(chǎn)生任何危害；太陽光照射在地球上普遍存在，使用成本低，船體不需反復(fù)進(jìn)基站補(bǔ)給，可滿足船的長時(shí)間工作。

為了是使充電結(jié)構(gòu)簡單有效，我們使用42V/300W的太陽能板進(jìn)行充電，采用BUCK拓?fù)洹？紤]到對負(fù)載的電壓電流檢測信號需要與負(fù)載共地，我們將開關(guān)管置于太陽能板正端。為避免電能浪費(fèi)在開關(guān)管上造成能源浪費(fèi)和發(fā)熱，在開關(guān)管開通時(shí)必須完全導(dǎo)通，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓就必須大于太陽能板正端電壓，因此必須添加一個(gè)電源。又因普通MOS管耐壓為20V，所以我們設(shè)計(jì)了推挽變換器產(chǎn)生一個(gè)以MOS管源極為零電位的20V隔離電源為驅(qū)動(dòng)電路供電。而以地為零電位的主控芯片則通過光耦對開關(guān)管占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。因主控芯片和負(fù)載共地，所以負(fù)載的電壓和電流就很容易分別通過分壓和放大電路傳遞給主控芯片。

3 水質(zhì)檢測系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是該船的核心，由水質(zhì)傳感器、單片機(jī)等組成。采用水泵對水體進(jìn)行抽樣，再利用各水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)對各種水環(huán)境參數(shù)的檢測，通過適當(dāng)信號處理單元經(jīng)STM32單片機(jī)分析處理后上傳主機(jī)，并在LCD上顯示。

水質(zhì)監(jiān)測傳感器部分擔(dān)負(fù)起正確檢測各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的任務(wù)，為了保證檢測的準(zhǔn)確性，采用了含信號處理電路的成品模塊。水溫、pH值檢測采用龍戈電子pH傳感器，模塊上除pH傳感器外還集成了水溫傳感器，適合我們計(jì)算pH值時(shí)考慮自動(dòng)溫度補(bǔ)償。該成品提供水溫檢測范圍0至100℃，pH值檢測范圍0～14。

單片機(jī)采用嵌入式單片機(jī)STM32，內(nèi)置多路12位AD。該控制器主要完成對各參數(shù)信號的電信號采集、濾波、計(jì)算分析、LCD顯示、環(huán)境參數(shù)上傳主機(jī)等任務(wù)。

4 無線通訊系統(tǒng)

無線通信發(fā)送采用SIM900模塊通過短信實(shí)現(xiàn)。短信性能穩(wěn)定、使用方便且受其他影響小。在代碼中可設(shè)置了白名單號碼，只有白名單發(fā)送來的信息才會(huì)得到解碼處理，可有效防止垃圾短信。白名單發(fā)送信息進(jìn)行解碼，根據(jù)不同命令可將GPS定位坐標(biāo)以及測得的水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送還上位機(jī)進(jìn)行解碼處理。

所有數(shù)據(jù)均通過短信傳輸，短信收發(fā)應(yīng)用了較適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DUMode。所有消息都可以在接收區(qū)中清晰地看到，可一鍵查看船體所在位置當(dāng)前水質(zhì)狀況功能，通過該功能可以方便地查看水質(zhì)情況，同時(shí)顯示采集時(shí)間，軟件在顯示時(shí)將所有數(shù)據(jù)保存在文件中，方便日后查詢。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也采用SIM900模塊通過彩信實(shí)現(xiàn)，根據(jù)上位機(jī)或者白名單手機(jī)號碼的命令通過彩信將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)還給上位機(jī)，通過彩信方式傳回上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)解碼后予以顯示，可遠(yuǎn)距離查看船周邊情況。

任何有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制船的航行控制和圖像采集。同時(shí)增添一鍵查看當(dāng)前位置功能，并能在地圖上顯示，且在地圖上便能夠方便地指定船體的前進(jìn)路線以及目的地。

上位機(jī)采用電腦控制，電腦控制端采用了我們較為熟悉也比較常用同時(shí)也是兼容較高的軟件Microsoft Visual C++6.0編寫，我們創(chuàng)建的是單文檔程序，由于無線通信用到的是SIM900A模塊，該模塊以串口方式通信，通用AT指令集，于是我們應(yīng)用了微軟公司提供的ActiveX控件“Microsoft Communications Control，version6.0”以方便軟件與模塊進(jìn)行交互。軟件整體界面以方便操作，簡潔明了為主指進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)語

智能無人水域環(huán)境監(jiān)測船集成了單片機(jī)、ARM控制器、GPS、電子羅盤、GPRS、C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制以及多種水質(zhì)監(jiān)測傳感器，研究內(nèi)容豐富，動(dòng)手實(shí)踐工作量飽滿，給本課題組的成員提供了很好的開發(fā)平臺。

[1]史震等.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008，05.

[2]張靜等.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，05.

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