，，，

(1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué))

引 言

遙控水質(zhì)采樣與監(jiān)測(cè)無(wú)人船作為一種新型水域監(jiān)測(cè)平臺(tái)，因其自動(dòng)化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜水域的水質(zhì)采樣與監(jiān)測(cè)[1]。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在無(wú)人船研發(fā)方面起步較早，率先取得一定進(jìn)展，例如英國(guó)普利茅斯大學(xué)研發(fā)了用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)人船“Springer”、意大利國(guó)家研究理事會(huì)智能系統(tǒng)自動(dòng)化研究所研發(fā)了用于海洋表面水質(zhì)采樣的無(wú)人船“SESAMO”、美國(guó)密歇根大學(xué)研發(fā)了用于水深和環(huán)境測(cè)量的無(wú)人船“BathyBoat”。

近年來，國(guó)內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)也先后積極開展無(wú)人船的研發(fā)，并在水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面取得一系列成果。珠江水利科學(xué)研究院研發(fā)了一種用于水域勘測(cè)的無(wú)人船系統(tǒng)，國(guó)家海洋局第一海洋研究所研發(fā)了一種用于水深測(cè)量和抵近觀察的無(wú)人船“USBV”[2]，珠海云洲智能科技有限公司研發(fā)了一種用于水質(zhì)采樣和監(jiān)測(cè)的無(wú)人船“ESM30”。

傳統(tǒng)無(wú)人船的動(dòng)力螺旋槳處于水中，在一些污染嚴(yán)重、水生植物生長(zhǎng)繁茂、水體表面漂浮物密集的采樣水域，無(wú)人船在行進(jìn)過程中螺旋槳會(huì)時(shí)常被雜物纏繞，輕則阻礙船只行進(jìn)，重則使船體受損，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)部門開展相關(guān)清除工作極其不利。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了一種遙控自適應(yīng)空氣動(dòng)力無(wú)人船系統(tǒng)，其動(dòng)力由一對(duì)在空氣中高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳提供，螺旋槳位于空氣中避免了水中漂浮物對(duì)航行和采樣造成的不利影響，最大限度減少了傳統(tǒng)的采樣船對(duì)水體的攪動(dòng)，使采樣水域保持自然狀態(tài)，提高了采樣、測(cè)量準(zhǔn)確性。

同時(shí)，提出的污染源在線追蹤法可通過污染指數(shù)迭代讓無(wú)人船向著污染程度高的地方航進(jìn)，采樣結(jié)果更具代表性。無(wú)人船可根據(jù)遙控器發(fā)送的指令，采取遙控或自動(dòng)航行模式行駛至目的地，完成采樣任務(wù)，并實(shí)時(shí)返回傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

1 無(wú)人船系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)工作原理

空氣動(dòng)力無(wú)人船采用雙無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一對(duì)空氣螺旋槳推動(dòng)，通過主控制器對(duì)左右電機(jī)分別輸出不同占空比的PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而跟據(jù)左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及差速，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的航速和轉(zhuǎn)向的控制。無(wú)人船系統(tǒng)可以通過上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行遙控航行或自動(dòng)航行模式選擇，遙控航行即通過遙控器，人為地控制船體運(yùn)行，遙控器與主控制器之間利用nRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

自動(dòng)航行是通過設(shè)置采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用GPS模塊和九軸傳感器不斷采集無(wú)人船方位信息，通過PID控制算法自動(dòng)控制左右電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整無(wú)人船航向，使其自行前往采樣點(diǎn)。到達(dá)采樣點(diǎn)給無(wú)人船發(fā)送采樣命令即可采樣，采樣完成后繼續(xù)前往下一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，完成全部采樣任務(wù)后實(shí)現(xiàn)返航。每次無(wú)人船航行的相關(guān)數(shù)據(jù)將通過遙控器返回并儲(chǔ)存于上位機(jī)內(nèi)，為后續(xù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析作準(zhǔn)備。

1.2 系統(tǒng)框架

無(wú)人船系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、遙控器、STM32主控制器、無(wú)線通信模塊、動(dòng)力裝置、避障模塊、九軸傳感器、GPS定位模塊、水質(zhì)采樣模塊以及電源模塊。無(wú)人船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人船系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器系統(tǒng)

無(wú)人船系統(tǒng)要求控制器有較高的運(yùn)算效率、良好的實(shí)時(shí)性以及足夠的I/O端口與外設(shè)進(jìn)行連接，因此綜合考慮性能、成本、體積等因素，系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控制器和遙控器，進(jìn)行相關(guān)硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。STM32F103ZET6是ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3核心的帶512 KB閃存的32位低功耗微處理器，具有72 MHz的最高工作頻率、11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口以及112個(gè)快速I/O端口。主控制器與各模塊間連接的系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

2.2 動(dòng)力裝置

動(dòng)力裝置主要由兩個(gè)搭配2845KV2750電機(jī)的FMS模型飛機(jī)配件70 mm 12葉涵道和兩個(gè)70 A無(wú)刷電調(diào)組成。通過主控制器輸出不同占空比的PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)左右電機(jī)的差速，實(shí)現(xiàn)采樣船的轉(zhuǎn)向。通過定時(shí)器TIM3的通道2和通道3，即PB5和PB0控制無(wú)刷電調(diào)。定時(shí)器產(chǎn)生的PWM周期為20 ms，當(dāng)PWM占空比為10%時(shí)，電機(jī)速度達(dá)到最大，占空比為5%時(shí)，電機(jī)速度為零。這里把電機(jī)的速度劃分為10個(gè)等級(jí)，同一個(gè)方向鍵每按下一次，加速一次。

2.3 航行控制與避障

無(wú)人船自動(dòng)航行時(shí)需要自動(dòng)控制，因此應(yīng)通過九軸傳感器來實(shí)時(shí)測(cè)量無(wú)人船行駛的方位角數(shù)據(jù)。GY953九軸傳感器是一款低成本AHRS模塊，工作電壓為3～5 V，測(cè)量范圍為-180°～180°，分辨率可達(dá)0.1°，具有功耗小、體積小、精度高、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高等特點(diǎn)。其工作原理是通過陀螺儀、加速度傳感器和磁場(chǎng)傳感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法，最后得到直接的角度數(shù)據(jù)。在無(wú)人船自動(dòng)航行時(shí)，九軸傳感器返回的歐拉角對(duì)船體的航向進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

避障裝置采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊來實(shí)現(xiàn)。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3 mm，測(cè)量角度為15°。該裝置安裝在無(wú)人船船頭處，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體前方是否存在障礙物以及與障礙物之間的距離。若前方無(wú)障礙物，則繼續(xù)行進(jìn)；否則當(dāng)無(wú)人船與障礙物之間的距離小于3 m時(shí)，則無(wú)人船立刻自動(dòng)減速，進(jìn)行轉(zhuǎn)向避障，并在遙控器LCD上顯示報(bào)警信息。

2.4 水質(zhì)采樣模塊

水質(zhì)采樣模塊由抽水泵、深度控制裝置和出水管方向控制裝置三部分組成。抽水泵采用5 V直流電機(jī)，通過L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽水與排水的功能。使用的抽水泵具有截止閥功能，能夠雙向防倒流。抽水前，先將電機(jī)反轉(zhuǎn)，使管中的水完全排出，再進(jìn)行抽水采樣。深度控制裝置由步進(jìn)電機(jī)與滑輪構(gòu)成，由控制器控制五線四相步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同角度，控制水管下沉的深度、驅(qū)動(dòng)方式為四相四拍。

出水管端接到舵機(jī)上，由舵機(jī)通過定時(shí)器TIM3的通道4，即PB1口控制其方向。當(dāng)輸出PWM占空比為7.5%時(shí)，出水管指向正中間。當(dāng)占空比為5%時(shí)，舵機(jī)左轉(zhuǎn)45°；占空比為10%時(shí)，右轉(zhuǎn)45°。

當(dāng)采樣船到達(dá)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，首先抽水泵反轉(zhuǎn)，將水泵中的水完全排出，進(jìn)行淺采樣?？刂瞥鏊芊较虻亩鏅C(jī)右轉(zhuǎn)45°，控制深度的五線四相步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)3 s，將抽水管放下去。由于水管較長(zhǎng)，設(shè)置抽水時(shí)間為25 s，25 s后抽水泵自動(dòng)停止，舵機(jī)將出水管方向拉回中間位置，控制深度的五線四相步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)3 s，提出抽水管，淺抽水結(jié)束。

接下來進(jìn)行深抽水，將抽水泵反轉(zhuǎn)，使水泵中的水先放出來，再進(jìn)行采樣?？刂瞥鏊芊较虻亩鏅C(jī)左轉(zhuǎn)45°，控制深度的五線四相步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)6 s，將水管深放。抽水時(shí)間同樣是25 s，25 s后抽水泵自動(dòng)停止，舵機(jī)將出水管方向拉回中間位置，控制深度的五線四相步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)6 s，提出抽水管，深抽水結(jié)束。

2.5 數(shù)據(jù)通信和定位

數(shù)據(jù)通信采用nRF24L01無(wú)線通信模塊，主控制器和遙控器均通過串行外圍接口SPI與nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行連接。遙控器對(duì)主控制器發(fā)送命令時(shí)，將與遙控器相連的nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)定為發(fā)送模式，與主控制器相連的nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊相應(yīng)地設(shè)定為接收模式，此時(shí)主控制器可以接收遙控器發(fā)送過來的指令并進(jìn)行相應(yīng)操作。命令發(fā)送后，將兩個(gè)nRF24L01無(wú)線收發(fā)模的設(shè)定模式進(jìn)行互換，主控制器可將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)送至遙控器，遙控器進(jìn)行LCD顯示，并通過串口存儲(chǔ)于上位機(jī)中。

在無(wú)人船自主航行時(shí)，通過GPS實(shí)現(xiàn)定位以及時(shí)間的標(biāo)定，每200 ms返回一次當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的是ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，這是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，同外部設(shè)備的通信接口采用串口方式，輸出的GPS定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。GPS有源天線一般采用SMA接口，而該模塊為IPX接口，因此通過一根IPX轉(zhuǎn)SMA連接線將有源天線與ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊連接，并將天線至于無(wú)人船內(nèi)較為空曠位置，避免因遮擋而影響信號(hào)的正常接收。

3 相關(guān)算法及軟件設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)定航

圖3 方位直角坐標(biāo)系

其中，以正東方向?yàn)槠鹗歼?，順時(shí)針方向所形成的夾角α為正值，逆時(shí)針方向所形成的夾角α為負(fù)值，α取值范圍為[-180°，+180°]。

3.2 污染源在線追蹤法

為了更好地找出污染源頭，提出了一種污染源在線追蹤法。在船體上安裝水質(zhì)傳感器，每次采樣后直接對(duì)樣本進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)后的結(jié)果進(jìn)行算法處理，找到一個(gè)污染程度最高的點(diǎn)，然后沿著這一點(diǎn)繼續(xù)航行一段距離再次采樣，將之前采樣點(diǎn)中污染程度最低的點(diǎn)去掉，再次進(jìn)行算法處理，不斷迭代，最終可以找到污染源。

定義節(jié)點(diǎn)Ni(x,y,z),i=0,1，…，n-1，x和y是采樣點(diǎn)坐標(biāo)，可以通過GPS獲得，z代表污染程度，這里認(rèn)為z∈[0,1]，z=1表示污染程度最大，即可以認(rèn)為的z=1地方是污染源。

假設(shè)控制采樣船采集到5組數(shù)據(jù)Ni(xi,yi,zi),i=0,1,2,3,4，設(shè)計(jì)一種算法，通過這5組數(shù)據(jù)來確定一個(gè)污染程度最高的點(diǎn)，進(jìn)行第6次采樣，在第6次采樣點(diǎn)采樣得到一組新的數(shù)據(jù)時(shí)Ni(xi,yi,zi),i=5，去掉i=0的數(shù)據(jù)，生成新的5組數(shù)據(jù)Ni(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,5，計(jì)算下一次采樣的坐標(biāo)，如此迭代下去，坐標(biāo)更新算法可以表示為第k次(k=1,2,…),計(jì)算下一個(gè)需要采樣的坐標(biāo)為：

迭代到相鄰兩次采樣點(diǎn)污染程度|Δz|<ε,ε>0時(shí)，即可認(rèn)為已找到污染源。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序在Keil uVision4平臺(tái)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。利用模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行劃分，對(duì)各個(gè)模塊獨(dú)立編程。模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基本單元，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整單獨(dú)的功能，各個(gè)模塊由主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)軟件包括主控制器程序和搖控器程序模塊。

主控制器程序完成無(wú)人船的命令接收和分析、無(wú)人船的航行控制、水質(zhì)采樣和分析、無(wú)線通信等功能。上電后首先對(duì)各個(gè)模塊初始化，當(dāng)nRF24L01模塊檢測(cè)到遙控器傳輸?shù)拿顣r(shí)，進(jìn)行相應(yīng)判斷和操作。同時(shí)系統(tǒng)每200 ms采集一次數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至遙控器，采集的數(shù)據(jù)包括9軸傳感器返回的角度、GPS模塊返回的UTC時(shí)間和經(jīng)緯度坐標(biāo)、超聲波測(cè)距模塊返回的距離。通過自適應(yīng)定航和避障算法進(jìn)行航行控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣點(diǎn)后，等待接收采樣命令實(shí)現(xiàn)水質(zhì)采樣并實(shí)現(xiàn)返航。

遙控器設(shè)計(jì)采用了μCOS-III實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和STemWin嵌入式GUI。μCOS-III是一個(gè)可基于ROM運(yùn)行的、可裁減的、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，適合很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)。基于STemWin嵌入式GUI,可以提供功能豐富的圖形用戶界面，在PC上用GUIBuild軟件設(shè)計(jì)好界面再移植到微處理器上，減少了開發(fā)周期。遙控器上電后，先完成硬件自檢，串口打印自檢信息，自檢完成后掛載文件系統(tǒng)開啟μCOS創(chuàng)建4個(gè)任務(wù)：nRF24L01無(wú)線通信任務(wù)、STemWin GUI繪制任務(wù)、LCD觸摸檢測(cè)任務(wù)、指令發(fā)送LED顯示任務(wù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將無(wú)人船置于湖中，在岸邊通過遙控器對(duì)其操控。當(dāng)達(dá)到采樣點(diǎn)后，遙控其進(jìn)行不同深度的采樣，采樣后返回。如圖4所示，圖4(a)為整體效果圖，圖4(b)為無(wú)人船前進(jìn)圖，圖4(c)為采樣結(jié)束返航圖。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各個(gè)功能運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力過大會(huì)對(duì)船體航行影響較大，后期考慮在船體上增加無(wú)刷電機(jī)個(gè)數(shù)。在船體兩側(cè)增加橫向的電機(jī)，用來調(diào)整船體的方向，相比與目前裝置，改進(jìn)后的裝置可以在采樣時(shí)保證船體的穩(wěn)定性。

圖4 系統(tǒng)整體測(cè)試圖

結(jié) 語(yǔ)

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[2] 崔文連, 金久才, 王艷玲, 等. 無(wú)人船技術(shù)在湖泊/水庫(kù)水體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探討[C]//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2013.

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張自嘉(教授)，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c檢測(cè)技術(shù)、智能儀器與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；呂查德、閆朝陽(yáng)(本科生)，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器；徐晨(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。