張馨雨，那睿奇，黃寧遠(yuǎn)，王亞煒

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱，150040）

0 引言

目前，城市內(nèi)河河道垃圾泛濫的問題日益嚴(yán)重，由于城市內(nèi)河河道往往位于居民區(qū)附近，居民區(qū)的生活垃圾、水邊的旅游垃圾和建筑垃圾等極易進(jìn)入河道，并漂浮在河面上，影響市容的同時(shí)也給城市排水系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)，因此清理城市內(nèi)河水面漂浮物成為城市環(huán)境治理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。雖然國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出比較先進(jìn)的水面垃圾清理裝置，但是其設(shè)備大多針對(duì)海洋垃圾和大型湖泊垃圾，而由于城市內(nèi)河與海洋、湖泊之間的差異，在進(jìn)行城市內(nèi)河水面漂浮物清理時(shí)，設(shè)備需要更加注意噪聲和污染問題，因此這些設(shè)備對(duì)城市河道的實(shí)用價(jià)值較小[2]。現(xiàn)如今，對(duì)于城市內(nèi)河河道等小面積水域，水面漂浮物的清理多采用人工打撈，清理效率低的同時(shí)，人工成本也較高。

而隨著近年來移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人船作為一種智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的水面工具也開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。無人船可以配合水面漂浮物清理裝置，利用GPS導(dǎo)航、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制和航跡控制等技術(shù)，為城市水面的環(huán)境治理提供一種新型的裝備[3]。使用無人船清理城市內(nèi)河水面漂浮物，既能滿足清理需求，又節(jié)省了人工成本，還提高了清理效率。

雖然如今市面上已經(jīng)擁有了云洲系列[4]和歐卡系列[5]等小型智能無人清理船，但其垃圾清理裝置和功能等還較為單一，以此該領(lǐng)域還有較大的研究前景。

1 無人船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 無人船船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該無人船的結(jié)構(gòu)部分主要由船體、漂浮物清理系統(tǒng)、航跡控制機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成，如圖所示為無人船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖1 無人船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

船體主要由兩側(cè)船身以及將兩側(cè)船身連接起來的鋁架構(gòu)成。船型上選擇雙體船設(shè)計(jì)，不僅有效地增加了上層建筑層次，給控制系統(tǒng)以及垃圾傳輸清理機(jī)構(gòu)留下更多的空間，還明顯地降低了興波阻力，減少了船波[6]。因此，該無人船能有效減少無人船在內(nèi)河進(jìn)行清潔工作時(shí)船波對(duì)內(nèi)河兩岸的沖擊與噪聲。

同時(shí)在制造樣機(jī)時(shí)，我們使用泡沫材質(zhì)制造船體，由于泡沫本身密度較小，浮力較大，在降低成本的同時(shí)我們還能有效增加樣機(jī)的浮力。在船體后方架設(shè)有平臺(tái)，能夠放置單片機(jī)、控制系統(tǒng)的各種模塊、攝像頭以及電池等設(shè)備，能夠有效利用船體面積。

1.2 無人船漂浮物清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人船漂浮物清理系統(tǒng)主要由垃圾收集箱，輸送裝置和輔助收集裝置組成。圖2為漂浮物清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖2 漂浮物清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該漂浮物清理系統(tǒng)的收集方式為傳送帶式收集。如圖輸送帶斜插人水中適當(dāng)深度，系統(tǒng)前部配合著小型的引導(dǎo)板和網(wǎng)狀的阻擋板，能夠在輸送帶前端聚集起漂浮物。同時(shí)輸送帶電機(jī)帶動(dòng)輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著無人船的移動(dòng)，傳送帶將前端聚集的水面垃圾傳送到后方的垃圾收集箱內(nèi)，收集漂浮物的效率相對(duì)較高，同時(shí)成本較為低廉。輸送帶兩端支座和輸送帶兩側(cè)可以通過螺紋配合調(diào)節(jié)輸送帶的角度，在不同條件下的水域，可以通過調(diào)節(jié)角度調(diào)節(jié)裝置，改變傳送帶的傳送角度及入水深度，方便在各種河道水域下執(zhí)行清理任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更好的清理效果。

輔助收集方面，雙體船兩側(cè)還安裝有壓力水槍，能夠在垃圾聚集時(shí)，使漂浮物分散便于收集。船體兩側(cè)還會(huì)添加有小型引導(dǎo)板，將水面漂浮的垃圾更好的通過傳送帶運(yùn)送到垃圾收集箱內(nèi)。細(xì)節(jié)方面，輸送皮帶和收集箱里都留有滲水孔，帶上的擋板也采用鏤空設(shè)計(jì)，能有效減少傳送帶傳送垃圾時(shí)水面的阻力，同時(shí)還能瀝干水分減輕傳送帶壓力和船體的重量，垃圾收集箱位于船尾，底部安裝有滾輪，近岸時(shí)能輕松完成搬運(yùn)工作。

1.3 無人船航跡控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為該無人船航跡控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖3 航跡控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該無人清理船使用電力驅(qū)動(dòng)，水下的推進(jìn)器主要由防水電機(jī)和螺旋槳葉組成，防水電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)無人船前進(jìn)。通過舵機(jī)來控制推進(jìn)器的偏轉(zhuǎn)，改變無人船推進(jìn)的矢量方向，從而控制其行駛方向，以此實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動(dòng)控制。

2 無人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F409作為主控板，通過電力驅(qū)動(dòng)，并配合多種模塊，實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)利用基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)軟件，來實(shí)現(xiàn)航跡的規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理，并對(duì)無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。借助服務(wù)器，該系統(tǒng)以GPRS遠(yuǎn)程通信為傳播媒介，能夠完成上下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，圖4所示為該無人船控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖[7]。

圖4 無人船控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖

無人船控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)組成。其中上位機(jī)系統(tǒng)主要包括上位機(jī)軟件和電腦PC端，下位機(jī)系統(tǒng)主要包括主控制板、驅(qū)動(dòng)模塊、GPS與無線通信模塊和超聲模塊。通過上位機(jī)與下位機(jī)的配合，無人船能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

（1）遠(yuǎn)程通信功能:實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和船載下位機(jī)系統(tǒng)的無線通信;（2）航跡規(guī)劃功能: 實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船船體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自主控制，自動(dòng)規(guī)劃航跡;（3）自主避障功能：利用傳感器信息，實(shí)現(xiàn)自主避障；（4）人機(jī)交互功能:向無人船發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程操作;（5）監(jiān)測(cè)顯示功能:能夠?qū)o人船船體位置和速度信息進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)并將軌跡圖和航行狀態(tài)在上位機(jī)軟件中顯示。

2.2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 下位機(jī)控制核心設(shè)計(jì)

下位機(jī)船載系統(tǒng)以STM32F409開發(fā)板為核心，GPS與無線通信模塊、超聲模塊以及驅(qū)動(dòng)模塊通過串口與主控板進(jìn)行通信，船載下位機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖5。

圖5 船載下位機(jī)系統(tǒng)框圖

船載下位機(jī)系統(tǒng)中需要主控制板對(duì)各模塊進(jìn)行控制，并對(duì)各個(gè)模塊不斷進(jìn)行讀取，同時(shí)需要不斷與超聲波模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并持續(xù)通過GPS與無線通信模塊和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。下位機(jī)通過串口收集原始GPS數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)發(fā)出控制命令后，下位機(jī)計(jì)算出無人船的偏角，并通過控制推進(jìn)器電機(jī)和舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度來實(shí)現(xiàn)無人船運(yùn)動(dòng)控制功能，下位機(jī)控制程序流程圖如圖6所示。

圖6 無人船下位機(jī)控制程序流程圖

2.2.2 超聲波避障設(shè)計(jì)

無人船在進(jìn)行自主航行時(shí)，為避免河道中障礙物影響無人清理船的正常工作，我們通過進(jìn)行超聲波避障設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)無人船的自主避障功能。

該自主避障設(shè)計(jì)的原理是在無人船在行駛的過程中，利用位于船體前端的超聲模塊，循環(huán)測(cè)量與前方障礙物的距離。如果檢測(cè)到與障礙物之間的距離小于一定的值，則單片機(jī)對(duì)主控制板中初始自動(dòng)控制程序進(jìn)行中斷，開始運(yùn)行避障程序，避開障礙物后，又重新進(jìn)入自動(dòng)控制的程序，并按照初始自動(dòng)控制程序繼續(xù)行駛[8]。

因?yàn)闊o人船在自主航行時(shí)遇到障礙物前優(yōu)先于執(zhí)行避障程序，所以超聲模塊需要使用較高的優(yōu)先級(jí)中斷中斷0。數(shù)據(jù)初始化后，通過檢測(cè)串口0是否接收到來自單片機(jī)的超聲數(shù)據(jù)來進(jìn)行判斷，并根據(jù)是否收到避障信號(hào)并做出不同的處理。若收到避障信號(hào)則進(jìn)行對(duì)舵機(jī)和推進(jìn)器的控制，否則執(zhí)行串口1的判斷，根據(jù)發(fā)送的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集或無人船的控制。下圖為主控制板避障程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖7 無人船主控制板避障程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2.3 運(yùn)動(dòng)控制

為實(shí)現(xiàn)無人船的運(yùn)動(dòng)控制，下位機(jī)需要與上位機(jī)進(jìn)行連接，上下位機(jī)連接后，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送規(guī)劃航跡的目標(biāo)點(diǎn)GPS數(shù)據(jù)，船載控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，開始驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并定時(shí)通過無線通信模塊使用AT指令獲取當(dāng)前的GPS數(shù)據(jù)信息，通過分割字符串的方法得到當(dāng)前位置的經(jīng)緯度、速度和航向角，然后定時(shí)計(jì)算當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)的距離以及當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的連線與正北方向的夾角。根據(jù)船的航向角和所求的偏角可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中螺旋槳電機(jī)矢量推進(jìn)時(shí)所需轉(zhuǎn)過的角度。

圖8 角度偏轉(zhuǎn)示意圖

當(dāng)前位置與目標(biāo)點(diǎn)位置的距離和無人船偏角計(jì)算公式如下：

公式中的6371.004為地球的平均半徑；（N0, E0）和（N,E）分別為目標(biāo)點(diǎn)和當(dāng)前位置的經(jīng)緯度；110.947為緯度跨越1度時(shí)對(duì)應(yīng)的公里數(shù)；同理111.3195為經(jīng)度跨越1度時(shí)對(duì)應(yīng)的公里數(shù)。此外由于公式計(jì)算出的偏角為弧度制，需在單片機(jī)中將其轉(zhuǎn)化為角度制。

求得驅(qū)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中螺旋槳電機(jī)矢量推進(jìn)時(shí)所需轉(zhuǎn)過的角度之后，下位機(jī)通過控制舵機(jī)轉(zhuǎn)過的角度來使螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，控制各目標(biāo)段中無人船的行駛方向，以此來實(shí)現(xiàn)無人清理船的運(yùn)動(dòng)控制。

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)軟件利用LabVIEW進(jìn)行編寫,該軟件主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與船載系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信、控制命令的發(fā)送、GPS數(shù)據(jù)格式的解析與處理以及糾偏和電子地圖顯示的功能[9]。

2.3.1 航跡規(guī)劃

無人船在河道行駛時(shí)，由于河道本身的彎曲程度和河面情況，航跡規(guī)劃過程中上位機(jī)會(huì)根據(jù)河道形狀以及河面情況，從始點(diǎn)到終點(diǎn)形成曲線型線路。實(shí)際沿規(guī)劃路徑前進(jìn)時(shí)，上位機(jī)將該曲線航跡劃分成多個(gè)直線段，并記錄每個(gè)直線段的起始和終止點(diǎn)，將無人船沿河道的曲線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為多個(gè)直線段內(nèi)的直線運(yùn)動(dòng)[10]，如圖9所示。

圖9 航跡規(guī)劃示意圖

在無人船航行過程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)劃點(diǎn)位置時(shí)，上位機(jī)收到無人船的反饋信息，并發(fā)送下一規(guī)劃點(diǎn)的位置坐標(biāo)，無人船開始沿下一段規(guī)劃路徑繼續(xù)行駛，最終到達(dá)終點(diǎn)區(qū)域，完成規(guī)定航跡內(nèi)的漂浮物清理任務(wù)。

2.3.2 GPS數(shù)據(jù)格式的解析和處理

GPS模塊采集到GPS數(shù)據(jù)后，上位機(jī)利用SIM7600CE通過AT指令來獲取GPS數(shù)據(jù)，獲取到 SIM7600CE返回的字符串后，我們從字符中提取GPS信息，并從中分離出經(jīng)度、緯度、航向角和速度信息，得到糾偏前的GPS數(shù)據(jù)。

表1 SIM7600CE的部分AT指令

AT+CGPSINFO正常返回字符串格式為+CGPSINFO:[],[],[],[],[],[],[],[],[]

其中各段字符串表示的含義及輸出格式如表2。根據(jù)各段字符串表示的含義和輸出格式，通過字符串分割命令可以從中分離出GPS模塊采集的GPS數(shù)據(jù)。

表2 返回字符串各段的表示含義

2.3.3 糾偏與百度地圖顯示

此外由于下位機(jī)通過GPS模塊得到的坐標(biāo)是在WGS-84系下的經(jīng)緯度坐標(biāo)，而為了保障國家安全，電子地圖產(chǎn)品使用的是WGS-84坐標(biāo)系加上偏移量后的坐標(biāo)系，如百度地圖中使用的就是BD-09坐標(biāo)系。因此在對(duì)獲得的GPS坐標(biāo)進(jìn)行百度地圖中的顯示時(shí)，由于這兩種坐標(biāo)系的偏移，直接用百度地圖顯示解析后的坐標(biāo)偏差較大，所以我們需要對(duì)其進(jìn)行糾偏。

我們利用百度地圖開放平臺(tái)提供的轉(zhuǎn)換服務(wù)，在服務(wù)地址的對(duì)應(yīng)位置處后面輸入自己想要轉(zhuǎn)換的GPS 坐標(biāo)，即可將輸入的GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為BD-O9坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，從而得到正確的經(jīng)緯度，同時(shí)利用開放平臺(tái)提供的服務(wù)，我們還能將GPS數(shù)據(jù)在上位機(jī)軟件中，通過百度電子地圖顯示出來，如圖10為糾偏和百度地圖顯示的程序圖。

圖10 糾偏和百度地圖顯示的程序圖

3 上位機(jī)與無人船的通信

上下位機(jī)的主要通信網(wǎng)絡(luò)為GPRS網(wǎng)絡(luò)，并通過服務(wù)器建立連接。上位機(jī)導(dǎo)入路徑規(guī)劃文件后，發(fā)送規(guī)劃信息給無人船，并對(duì)下位機(jī)發(fā)送過來的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏，并在上位機(jī)軟件當(dāng)中，通過電子地圖和監(jiān)測(cè)界面顯示船體所在的地理位置以及速度航向角等信息。

3.1 上位機(jī)無線通信

上位機(jī)無線通信的實(shí)現(xiàn)方式為提前設(shè)置好域名和端口，并使用花生殼創(chuàng)建內(nèi)網(wǎng)穿透建立服務(wù)器，通過輸入域名分配端口，上位機(jī)偵聽遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP和端口號(hào)，根據(jù)IP和端口號(hào)尋找遠(yuǎn)程服務(wù)器，并通過遠(yuǎn)程服務(wù)器獲取發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器的GPS數(shù)據(jù)[11]。

偵聽到數(shù)據(jù)后，上位機(jī)循環(huán)讀取獲得的TCP數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷。如果讀取到的數(shù)據(jù)有效，則對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將該字符串分割，得到當(dāng)前經(jīng)度、緯度、航向角和速度信息，獲得糾偏前的GPS數(shù)據(jù)，接著借用百度地圖開放平臺(tái)提供的轉(zhuǎn)換服務(wù)對(duì)該GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏處理，糾偏后，再次將字符串分割得到糾偏后的經(jīng)度和緯度，并將最后輸出的經(jīng)緯度在百度地圖中顯示，而如果判斷讀取的數(shù)據(jù)有誤，則直接進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，及時(shí)提醒監(jiān)測(cè)人員。

3.2 下位機(jī)無線通信

配置下位機(jī)無線通信時(shí)，首先需要設(shè)置APN并查詢注冊(cè)GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好后設(shè)置TCP/IP模式，設(shè)置完后打開套接字，并以多套接字方式建立連接，如圖12所示。

圖11 上位機(jī)無線通信流程圖

圖12 下位機(jī)無線通信流程圖

4 基于LabVIEW的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

最終開發(fā)出的基于LabVIEW的人機(jī)交互界面如圖13所示。

圖13 人機(jī)交互界面示意圖

基于LabVIEW的人機(jī)交互界面主要分為兩部分，分別為參數(shù)輸入界面和參數(shù)顯示界面[12]。

參數(shù)輸入界面主要有遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口、網(wǎng)絡(luò)端口以及路徑規(guī)劃文件導(dǎo)入框。使用該交互界面時(shí)時(shí)，首先需在輸入控件中輸入遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口和網(wǎng)絡(luò)端口，并導(dǎo)入相應(yīng)的路徑規(guī)劃文件，以便與地圖軟件以及下位機(jī)完成通信連接。

參數(shù)顯示界面主要有百度電子地圖顯示界面、航向角顯示界面、經(jīng)緯度顯示界面和船速顯示界面。當(dāng)設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)并啟動(dòng)后，監(jiān)控軟件會(huì)實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前無人艇的經(jīng)緯度、航向和航速，并顯示在對(duì)應(yīng)的控件中。

5 結(jié)論

本文提供了一種面向城市內(nèi)河水面漂浮物清理的無人船系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)該無人船機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、上下位機(jī)間的通信以及上位機(jī)軟件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)該無人船系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明船體載荷能力較強(qiáng)，船體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠有效完成水面漂浮物的清理任務(wù)且自動(dòng)化效率高。

然而該無人船距離真正投入商用還需要進(jìn)一步完善和測(cè)試，進(jìn)一步的研究任務(wù)是繼續(xù)提高船體自身定位的精確性，使得該無人船能夠適應(yīng)更加彎曲復(fù)雜的航道環(huán)境。并無人船上添加新的裝置，實(shí)現(xiàn)垃圾清理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等多方面的任務(wù)，同時(shí)繼續(xù)完善無人船的控制系統(tǒng)，將其上位機(jī)軟件的監(jiān)測(cè)范圍由單獨(dú)的無人船拓展到整個(gè)無人船集群系統(tǒng)。