林 華，邵中祥，周芝杰，徐云清，徐宇寶

(皖西學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

水資源的檢測最為常用的方法為人工采樣，需要檢測人員到指定水域邊緣采集水樣，如果需要采集中心位置水樣還需船只。在水庫開闊的湖面人工檢測難度上升，需要采集到不同區(qū)域，耗費(fèi)時間十分長，檢測數(shù)據(jù)容易丟失或者混淆。人工檢測一般利用化學(xué)試劑進(jìn)行簡單的檢測，如果想要檢測更多的、完整的、科學(xué)的信息，需要將樣本水帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行細(xì)致檢測等[1-3]。

劉雨青[4]等基于嵌入式設(shè)計(jì)制作了大水域的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，搭載在無人船上，可以實(shí)現(xiàn)自動巡航遠(yuǎn)程操控等。王柏林[5]等設(shè)計(jì)了一種搭載多點(diǎn)、分層自動采水取樣裝置的智能無人船水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。童曉紅[6]等制作了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巢湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。呂揚(yáng)民[7]對無人船的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及路徑規(guī)劃方法進(jìn)行了研究。

基于嵌入式的產(chǎn)品開發(fā)和研究市場廣泛[8]，大量科研均對各式水域的特殊需求開發(fā)了相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測產(chǎn)品。六安地區(qū)水系眾多，本文基于STM32研制適應(yīng)于地方水質(zhì)監(jiān)測需要的水域采樣船形機(jī)器人和初步分析的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離控制與通訊、衛(wèi)星記錄位置坐標(biāo)以及位置共享、機(jī)器人自主巡航等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

水質(zhì)監(jiān)測船形機(jī)器人整體是一個多反饋系統(tǒng)，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)以STM32F103ZET6嵌入式單片機(jī)為主控核心，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。硬件部分由電源及系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊、輸入輸出調(diào)試模塊、顯示、水泵等采樣模塊、水質(zhì)檢測傳感器、船體姿態(tài)陀螺儀、北斗定位和導(dǎo)航模塊、數(shù)據(jù)處理通訊模塊等部分組成。其中，GPS定位系統(tǒng)可以實(shí)時反映機(jī)器人的位置信息，然后和目的水域位置進(jìn)行比較，從而獲取前進(jìn)的方向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。溫度傳感器、濁度傳感器、PH檢測傳感器等模塊對水質(zhì)進(jìn)行初步監(jiān)測，將所獲得的數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，通過比較數(shù)據(jù)庫，生成數(shù)據(jù)報(bào)告。再由GSM模塊將其位置信息和檢測的數(shù)據(jù)信息等以信息的方式發(fā)送用戶的手機(jī)中。采用了LCD顯示用于調(diào)試時顯示機(jī)器人的測量數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息等。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 整體設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的無人船載體必須要考慮水流阻力、水中暗流以及水面風(fēng)浪等影響，采取以船型模型作為產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)模型。模型船尺寸為700mm×250mm×170mm。采取V字型船首結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往船尾逐漸變寬，船體的流線型設(shè)計(jì)有助于減少水流阻力等優(yōu)點(diǎn)。在船中間部分，船橫切面設(shè)計(jì)成類矩形結(jié)構(gòu)，保證了船擁有足夠的回復(fù)力矩，使其在橫搖的時候，更快速地回復(fù)到正浮狀態(tài)。模型船底采用平底，此結(jié)構(gòu)可以充分利用船舶內(nèi)的有限空間，能更多增加阻尼、提高船體的穩(wěn)定性，也能使空間更大多裝所需要的物品如電路板、儲水裝置等，船體上部要采取掩蓋和密封。

1.2.2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)的供電以太陽能電池作為主要供電輸出，并備用一塊可充電鋰電池，在不使用備用電池的情況下，可以用太陽能板對鋰電池進(jìn)行充電，當(dāng)太陽能板無法供電時，此時通過鋰電池的供電仍然可以工作一段時間，并把信息發(fā)送給用戶，提高了機(jī)器人運(yùn)行的持久性。電量由電池輸出后交由電源模塊進(jìn)行處理滿足整個系統(tǒng)的電源要求。

1.2.3 內(nèi)部模塊安置

由于水質(zhì)檢測機(jī)器人是在水中運(yùn)行，所以穩(wěn)定性尤為重要。通過陀螺儀模塊采集自身的姿態(tài)信息，通過軟件反饋達(dá)到船體穩(wěn)定性。還要在整體模塊安置的重心方面考慮船體穩(wěn)定性，合理布局放置各個功能模塊盡可以使船體受到的浮力最大。內(nèi)部功能模塊化電路連接可靠，有利于故障排查，確保水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人運(yùn)行過程的安全性和可靠性。

1.3 系統(tǒng)主控板設(shè)計(jì)

本水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)模塊較多，為避免多電路塊的問題，將水質(zhì)監(jiān)測的模塊集中到一塊PCB板上，通過合理布局和抗干擾設(shè)計(jì)，能更好控制水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人的電路穩(wěn)定性，更大概率的降低水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人在水中運(yùn)行時出現(xiàn)的電路障礙等問題，有效減小后期維護(hù)的成本。主控電路板如圖2所示，整個系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)在一塊尺寸為10cm×9cm的PCB板上。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32控制核心

使用核心芯片STM32F103ZET6，控制器支持多個外設(shè)，可以進(jìn)行PWM電機(jī)調(diào)控、濁度、pH值、溫度采集等。其功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣泛[5-8]。

2.2 濁度傳感器模塊

濁度是水質(zhì)檢測的重要指標(biāo)之一。水體中含有較大顆粒的各種物質(zhì)都會使水體變得渾濁，濁度與光折射系數(shù)相關(guān)，水越污濁，透過的光也就越少。光敏傳感器把光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電量的大小，經(jīng)過公式換算可以得到相應(yīng)的濁度信息。這里選用TSW-20MK濁度傳感器。

圖2 PCB整體板圖

2.3 pH檢測模塊

水質(zhì)中的pH值一定程度上可以反映當(dāng)?shù)厮Y源的受污染程度。各種用途的水都會要求在一定pH值區(qū)間，如飲用水pH值6.5-8.5；工業(yè)用水pH值7.0-8.5等。

選用不銹鋼封裝防水型溫度傳感器探頭，在水質(zhì)檢測pH值的同時，檢測水域的溫度。pH值檢測模塊上帶有DS18B20數(shù)字溫度傳感器接口，在水溫不在20 ℃-30 ℃之間時，計(jì)算出溫差和補(bǔ)償pH值，將補(bǔ)償pH值累加在pH模塊測出的pH值上，得出水域?qū)嶋H的pH值。

2.4 水質(zhì)采樣模塊

設(shè)計(jì)有水質(zhì)采樣裝置，在水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人到達(dá)指定水域后，停止前進(jìn)，由單片機(jī)發(fā)出指令進(jìn)行水泵抽水，并進(jìn)行抽樣水質(zhì)的濁度、pH值、溫度等水體指標(biāo)檢測，當(dāng)檢測到水體指標(biāo)超標(biāo)時，將該水域的水抽取儲存，隨水質(zhì)檢測機(jī)器人一同返回，方便作進(jìn)一步的污染分析。

采樣后的水選用多個玻璃容器盛裝，制作時使用玻璃膠密封容器，分別有抽水口和出水口，保證容器內(nèi)和容器外的壓強(qiáng)一致，可防止在水質(zhì)檢測時水泵無法抽水或停止后的倒吸現(xiàn)象。

2.5 通信模塊

現(xiàn)在對于無線通信，一般來說短距離使用藍(lán)牙，長距離使用的是NRF24L01，藍(lán)牙NRF24L01對于水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人都存在很大的弊端，在開闊的湖面上使用就顯得比較力不從心。

選用GSM模塊進(jìn)行通信，GSM模塊相對于藍(lán)牙NRF24L01優(yōu)勢明顯，它不受到距離限制在對水質(zhì)每項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測后，通過使用GSM模塊將存儲在數(shù)組中的檢測到的濁度、pH、溫度和溶解氧等數(shù)據(jù)信息發(fā)送到指定手機(jī)。

2.6 北斗+GPS導(dǎo)航模塊

為使水質(zhì)檢測機(jī)器人的實(shí)時定位信息，系統(tǒng)選擇ATK1218-BD北斗+GPS雙定位導(dǎo)航模塊，其帶有EEPROM和后備電池，搜索衛(wèi)星速度快。使用此模塊后機(jī)器人同時支持北斗衛(wèi)星和GPS的單獨(dú)或組合定位，并支持QZSS和SBAS系統(tǒng)，冷啟動捕獲靈敏度高，定位精度達(dá)2.5 m，導(dǎo)航模塊更新速度快，能滿足使用需求。

2.7 驅(qū)動模塊

該水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人使用直流電機(jī)驅(qū)動，使用STM32單片機(jī)定時器控制PWM輸出信號至電機(jī)驅(qū)動和控制監(jiān)測機(jī)器人前進(jìn)，使用HIP4082作為驅(qū)動芯片的MOS驅(qū)動電路，使用74LVC245做隔離，具有負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在控制電機(jī)加減速性能方面更快速、更強(qiáng)勁。本監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動PCB整體板圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動整體板圖

2.8 電源模塊

由太陽能供電和備用鋰電池供電，使用的各個水質(zhì)監(jiān)測模塊額定電壓電流的不同，在硬件設(shè)計(jì)上需要多路穩(wěn)壓、濾波和隔離。電源設(shè)計(jì)上，采用了TPS公司降壓穩(wěn)壓芯片，電池電壓經(jīng)TPS7350穩(wěn)壓至5 V，給主控板上5 V器件供電；再用TPS7333對5 V穩(wěn)壓至3.3 V，給主控芯片STM32F103ZET6、姿態(tài)傳感器和攝像頭等3.3 V器件進(jìn)行供電。這幾個電壓基本滿足整個系統(tǒng)的供電要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體控制流程

整車控制系統(tǒng)首先進(jìn)行各個模塊初始化，對水域的采集路徑進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)延遲后啟動機(jī)器人，在工作時不斷進(jìn)行自身位置判斷的循環(huán)，即通過定位和導(dǎo)航模塊位置信息，通過和要進(jìn)行水質(zhì)檢測的水域位置進(jìn)行比較，如果水質(zhì)檢測機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入所要進(jìn)行水質(zhì)檢測的水域范圍內(nèi)，那么就停下開始水質(zhì)采樣、水樣初步處理和檢測、數(shù)據(jù)處理、通訊等工作，通過GSM模塊將分析數(shù)據(jù)以短信發(fā)送到指定手機(jī)里，再判斷是否所有任務(wù)完成，未完成則繼續(xù)朝下個目標(biāo)前進(jìn)。判斷所有的水質(zhì)檢測任務(wù)完成后，完成檢測之后，開始返回。

在運(yùn)行中如果和水質(zhì)檢測的水域有偏差，通過GPS模塊獲取的經(jīng)緯度之差擬合出一條路線，然后水質(zhì)檢測機(jī)器人朝著目標(biāo)的方向繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)指定位置周圍以后，開始進(jìn)行水質(zhì)信息監(jiān)測。

在程序中，利用STM32的中斷對程序進(jìn)行規(guī)劃，利用多個中斷完成整個檢測過程，如設(shè)置中斷將陀螺儀檢測到的偏航角度作為電機(jī)PWM的累加輸出等。

3.2 穩(wěn)定性控制

為保證行駛過程中的穩(wěn)定性，對于船體的方向控制，首先要確保GPS定位信息可以實(shí)時更新，有利于船體高效快速做出反應(yīng)，能及時對船體偏離方向進(jìn)行矯正，即使遇到惡劣情況也可以控制不至于傾覆；其次，需要對船體的速度控制上輸入輸出作限幅，對速度作平滑輸出以達(dá)到最理想的勻速行駛狀態(tài)。

為保證更好的穩(wěn)定性控制，選用JY系列931型號的陀螺儀九軸姿態(tài)傳感器判斷水質(zhì)檢測機(jī)器人在三維空間上姿態(tài)信息的變化。系統(tǒng)可讀取九軸姿態(tài)傳感器在Z軸上改變的原始值通過卡爾曼濾波后，轉(zhuǎn)換為重力加速度值，經(jīng)卡爾曼濾波后的姿態(tài)值誤差小、跟蹤速度快，能滿足機(jī)器人姿態(tài)控制的需要[9]。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到船體有向下的重力加速度時，此時水質(zhì)檢測機(jī)器人在水中前傾，系統(tǒng)將重力加速度通過比例-微分輸出在電機(jī)上，提高水質(zhì)檢測機(jī)器人在水中的速度。反之降低機(jī)器人在水中的速度，通過姿態(tài)傳感器的使用提高了行駛過程中的穩(wěn)定性。

在調(diào)試中，將安放好姿態(tài)傳感器的水質(zhì)檢測機(jī)器人放置在水槽中，通過藍(lán)牙模塊將九軸姿態(tài)傳感器的三維空間上的變化值傳回到上位機(jī)上進(jìn)行顯示。不斷人為改變檢測機(jī)器人在水中的實(shí)際情況，調(diào)整九軸姿態(tài)傳感器的位置，確保水質(zhì)檢測機(jī)器人在水中靜止時，九軸姿態(tài)傳感器在三維空間上是水平的。

3.3 方向控制

水質(zhì)檢測機(jī)器人需要完成指定水域水質(zhì)的監(jiān)測等任務(wù)。在湖面水庫等自然水域環(huán)境中工作，勢必會受到波浪、障礙等很多未知干擾的影響，使偏離航向，與規(guī)劃路徑有較大誤差。另外受到船體比較大，姿態(tài)傳感器自身的高頻噪聲和漂移等影響，采集到的姿態(tài)偏航角具有一定的誤差。設(shè)計(jì)中為提高方向控制的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要采取的措施有如下3點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)中采用在船體中心位置水平放置陀螺儀來檢測船體姿態(tài)角，采用卡爾曼濾波融合算法求最佳姿態(tài)估計(jì)，能使姿態(tài)估計(jì)跟蹤迅速、誤差小、信息更準(zhǔn)確。

(2)為使電機(jī)的輸出更平穩(wěn)，控制中采用“PD+補(bǔ)償”的方向控制算法，保證遇到較大的自然環(huán)境讓船體偏離較大的方向角度時，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會猛然增加。在水質(zhì)機(jī)器人實(shí)物下水測試結(jié)果顯示采用此方向控制策略效果比較好。

(3)在控制穩(wěn)定性方面，采用轉(zhuǎn)向串級控制策略，將船體與目的地的角度偏差作為外環(huán)，將電機(jī)PWM輸出信號與實(shí)際轉(zhuǎn)彎角速度作為內(nèi)環(huán)，外環(huán)偏差作為內(nèi)環(huán)的輸入，根據(jù)串級控制的原理可知，合理配置內(nèi)環(huán)外的參數(shù)，就能使系統(tǒng)的大部分干擾在內(nèi)環(huán)就能大幅削弱，使系統(tǒng)的整體輸出更加精準(zhǔn)快速。采用此策略保證了遇到較大的自然環(huán)境讓船體偏離較大的方向角度時，系統(tǒng)的輸出更抗干擾性更強(qiáng)。

3.4 速度控制

本文水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人使用電機(jī)是帶有霍爾測速的直流電機(jī)，采集當(dāng)前速度后反饋至單片機(jī)，形成速度閉環(huán)控制，經(jīng)過PID環(huán)節(jié)，輸出PWM信號至電機(jī)進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人按照設(shè)定方向勻速運(yùn)行[10]。

在控速方面可以采用積分限幅控制對水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人速度變化率進(jìn)行限制，輸出時也經(jīng)過低通濾波再限幅輸出；另外在控制中還引入了積分分段控制的方法，在誤差小時引入積分項(xiàng)，誤差大時則取消積分作用。

3.5 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物圖

基于上文的分析，制作了水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)并進(jìn)行了各項(xiàng)功能測試以及進(jìn)行了水上測試，表現(xiàn)良好，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行，能實(shí)水質(zhì)采樣并進(jìn)行簡單檢測及數(shù)據(jù)的傳輸，能夠在水面進(jìn)行運(yùn)行至指定位置并返回。實(shí)踐結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，部分功能有待進(jìn)一步優(yōu)化，比如增加傳感器以完成更多的水質(zhì)檢測指標(biāo)項(xiàng)目、增加避障功能等。水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)一代產(chǎn)品實(shí)物圖

4 結(jié) 語

基于STM32對水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人及其監(jiān)測系統(tǒng)的硬件、軟件和機(jī)械等方面進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用一體化主控板設(shè)計(jì)，雙塊電池供電，從硬件和機(jī)械方面保證了監(jiān)測機(jī)械的可靠性，在軟件方面研究了車模方向PD控制的積分限幅控制及積分分段控制策略，證實(shí)該算法能有效改善船體控速等問題。實(shí)踐結(jié)果表明，水質(zhì)監(jiān)測機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)較合理，硬件穩(wěn)定，算法可靠，船體運(yùn)行平穩(wěn)，基本上實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)采樣和初步水質(zhì)檢測等功能。