周昌海，楊 燁，馬計(jì)劃，曹 揚(yáng)

（滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

1 研究背景

無(wú)人船的應(yīng)用在現(xiàn)階段很廣泛，可以應(yīng)用于無(wú)人快艇、營(yíng)救搜尋等方面。相關(guān)的理論也很深入，如使用無(wú)人船通過原生的海洋能完成超長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)繪、觀察任務(wù)。但相關(guān)水質(zhì)檢測(cè)的無(wú)人船研究與應(yīng)用相對(duì)較少。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)是組織人員到現(xiàn)場(chǎng)分層、分點(diǎn)、分區(qū)進(jìn)行采樣，然后送去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和水質(zhì)化驗(yàn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，沒有辦法隨時(shí)檢測(cè)，無(wú)法保證信息的時(shí)效性。如果遇到天氣惡劣或者現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，人工采樣不現(xiàn)實(shí)，因此，研究無(wú)人船的水質(zhì)檢驗(yàn)是有必要的。傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測(cè)有各種的局限性，而無(wú)人船具有高分辨率、高精度、高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)；可快速的獲得多種數(shù)據(jù)，節(jié)省人力物力，減輕人員工作量，可以在45 s之內(nèi)獲得水質(zhì)各種參數(shù)，相比于傳統(tǒng)的3～5 h更高效；縮短巡檢的間隔，提升了信息準(zhǔn)確性。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體系統(tǒng)

船體采用復(fù)合金屬與木質(zhì)材料制成，經(jīng)過合理的搭配提高了性價(jià)比，降低了整體密度。無(wú)人船重要器件部位蒙上了一層塑料皮層來(lái)防水。大多數(shù)無(wú)人機(jī)只能在晴天工作，而無(wú)人船可以在雨雪天氣進(jìn)行工作。全船長(zhǎng)1 m，質(zhì)量為7 kg。除去功能模塊外，還設(shè)有結(jié)構(gòu)模塊，有效輔助全身保持平衡，提高性能，改善工作效果。船體底部的防水草斜口設(shè)計(jì)，能保證船體重心靠下居中，有效防止卷入水草生活垃圾等雜物，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。船身裝配了有利于排水的斜坡，能在極端環(huán)境下正常工作，提升了設(shè)備的安全性和可靠性。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本無(wú)人船設(shè)計(jì)由無(wú)人船DSP（Digital Singal Process，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)）控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、避障模塊3部分構(gòu)成。

控制模塊是由DSP核心與船體的動(dòng)力系統(tǒng)以及三相電機(jī)組成的。通過DSP接收到的實(shí)時(shí)圖像，采集數(shù)據(jù)信息，傳輸決策配合避障模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船的控制，快速反應(yīng)，在不同流速的河流中，作出不同反應(yīng)?？梢蕴岣唏R力防止在湍流的河水中被沖走。無(wú)人船控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，與各個(gè)模塊相連接，負(fù)責(zé)各模塊的調(diào)度和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊可以通過裝在船體外側(cè)的不同信道來(lái)采集不同數(shù)據(jù)。由DSP控制核心分時(shí)刻對(duì)摸擬數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理[1]。協(xié)調(diào)船體內(nèi)搭載的低通濾波器，模擬開關(guān)和增益網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。無(wú)人船在水域中工作，會(huì)有水汽的影響，超聲波傳感器會(huì)因?yàn)榭諝庵械男∷味环€(wěn)定，不符合預(yù)期目標(biāo)。為了達(dá)成目標(biāo)，本設(shè)計(jì)采用的是激光雷達(dá)避障，激光雷達(dá)受水汽影響較小，在晴朗天氣下，避障效果同樣好，不影響各模塊的配合與檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為防止兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不同導(dǎo)致船無(wú)法走直線的情況，連接電機(jī)編碼器。使用編碼器對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID控制；使用的是普通電機(jī)采用了連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，使系統(tǒng)的反應(yīng)更迅速并且能減小誤差。本設(shè)計(jì)中無(wú)人船使用PID（比例、積分、微分）控制器控制設(shè)計(jì)程序便可保證船體平衡、控制船體的速度和方向，完成運(yùn)動(dòng)功能。

3 系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP核心控制系統(tǒng)

DSP是數(shù)字信號(hào)處理器，用數(shù)據(jù)計(jì)算的方法對(duì)要求的信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)便是數(shù)字信號(hào)處理，通過無(wú)人船的DSP核心接收信號(hào)，對(duì)舵機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制。進(jìn)行姿態(tài)控制與姿態(tài)簡(jiǎn)算，獲取的位置坐標(biāo)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和各個(gè)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行圖像傳輸、對(duì)光譜進(jìn)行解算。使用Mahony算法，運(yùn)算量較其他算法很小，速度、效果也好。Mahony互補(bǔ)濾波的原理主要體現(xiàn)在它的“互補(bǔ)”兩字上[2]。慣性測(cè)量結(jié)構(gòu)是由陀螺儀、加速度計(jì)和陀螺儀組成。Mahony是用加速度計(jì)去校正陀螺儀的誤差[3]。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

L293D通過2個(gè)與非門和雙H橋連接，通過IN1端和IN2端的高低電平情況，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部的H橋中的2只二極管截止，剩下2只打開。確定出電機(jī)的完整工作回路。通過設(shè)置這種方式為電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，保持上狀態(tài)不變將ENA端改為低電平，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)回路會(huì)被切斷，則電機(jī)會(huì)關(guān)斷。如果將IN1和IN2的電平狀態(tài)單獨(dú)改變，也會(huì)使電機(jī)的狀態(tài)改變。

3.3 避障的實(shí)現(xiàn)

超聲波傳感器和紅外傳感器效果不好，船體使用毫米波雷達(dá)避障，單天線毫米波雷達(dá)可以探測(cè)多個(gè)障礙物的距離、速度數(shù)據(jù)。多天線毫米波可以在此之上輸出障礙物的角度數(shù)為24 GHz，多天線的毫米波雷達(dá)波長(zhǎng)約為13 m，可以避免無(wú)人船錯(cuò)把水汽和下雨天的水珠當(dāng)成障礙物。通過多個(gè)不同的測(cè)量信道，設(shè)置不同波長(zhǎng)，便可以分析出障礙物的大小、障礙物是否在水面上。無(wú)人船綜合分析障礙的大小與位置，判斷避礙模塊是否需要響應(yīng)，如果需要，無(wú)人船會(huì)急?；虮苷蟻?lái)躲避障礙。

在無(wú)人船船體外側(cè)裝舵機(jī)，并在該舵機(jī)上架設(shè)激光雷達(dá)。設(shè)計(jì)程序通過舵機(jī)勻速掃描截取，獲得若干個(gè)等位置數(shù)的結(jié)果，來(lái)模擬無(wú)人船近前方障礙情況。數(shù)據(jù)傳送回DSP核心供核心決斷，輔助避障功能的實(shí)現(xiàn)。

3.4 基于光譜分析的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)

無(wú)人船要著重解決光譜識(shí)別。本設(shè)計(jì)使用的方案是使用CCD攝像頭來(lái)采集實(shí)時(shí)圖像信號(hào)，將采集到的模擬視頻信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字化圖像，數(shù)字圖像可以由DSP芯片識(shí)別和計(jì)算處理。從本質(zhì)上來(lái)看，可以理解為通過輸入設(shè)備采集到模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)的圖像，離散去點(diǎn)，合理變換，轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)[4]，將這些離散數(shù)字信號(hào)處理為二維向量矩陣，并以該形式傳輸回DSP核心控制單元中去。

二維向量矩陣由光譜儀經(jīng)信道傳入到DSP芯片。由DSP芯片和D/A轉(zhuǎn)換器兩者相互配合，D/A轉(zhuǎn)換單元可以將DSP輸出的數(shù)字化圖像經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，成為我們熟悉的摸擬信號(hào)量，送到顯示單元便可以顯示，原理如圖2所示[5-6]。

圖2 光譜分析多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)流程圖

使用了連續(xù)寬光譜分析技術(shù)，不將被測(cè)對(duì)象作為離散的數(shù)據(jù)組，工作時(shí)會(huì)掃描整個(gè)水域，進(jìn)行紫外可見波段的全光譜掃描，得到整體水樣的光譜吸收?qǐng)D[7]，設(shè)定以吸光度、波長(zhǎng)和時(shí)間為不同的變量來(lái)模擬連續(xù)光譜的模型，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并上傳至服務(wù)器，方便之后對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，在線產(chǎn)生水體模型，測(cè)算水體整體質(zhì)量，將數(shù)據(jù)傳輸回DSP核心，記錄或發(fā)出警報(bào)。

采用的光譜儀具有密度小、占用的空間對(duì)無(wú)人船影響小、能進(jìn)行精確的水質(zhì)分析等各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[8]，經(jīng)CDD攝像頭準(zhǔn)直系統(tǒng)色散分析聚焦成像，轉(zhuǎn)交探測(cè)顯示系統(tǒng)。無(wú)人船以微型光譜儀為檢測(cè)器件，并基于朗伯比爾定律透射光譜分析法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行在線的物理預(yù)處理，通過一定反應(yīng)輔助條件進(jìn)行氧化消解，發(fā)生與之相對(duì)應(yīng)的顯色反應(yīng)，形成可供DSP核心檢測(cè)的物理光譜。由CDD鏡頭來(lái)測(cè)定波長(zhǎng)，可以檢測(cè)水質(zhì)參數(shù)。檢測(cè)過程如圖3所示。

圖3 光譜分析預(yù)處理流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

啟動(dòng)無(wú)人船，換為調(diào)試模式輸入程序后，打開無(wú)人船，觀察無(wú)人船電源指示燈是否點(diǎn)亮，如果沒有被點(diǎn)亮的話要排查無(wú)人船是否接線正確，并且排查調(diào)整串口，防止下載錯(cuò)誤。使用軟件進(jìn)行燒錄時(shí)，應(yīng)當(dāng)先將無(wú)人船關(guān)閉再打開方可下載成功。用遙控器測(cè)試無(wú)人船在水中的移動(dòng)功能，如前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。觀察無(wú)人船驅(qū)動(dòng)模塊的功能是否完整，檢查多天線毫米波雷達(dá)。在船體前方水面和水下不同位置處放置障礙物，觀察小船的移動(dòng)情況，判斷避障模塊是否起作用。經(jīng)過調(diào)試無(wú)人船的驅(qū)動(dòng)模塊和避障模塊可以穩(wěn)定發(fā)揮作用，接線正確，程序燒錄也沒有產(chǎn)生錯(cuò)誤。

將無(wú)人船放置在水面上進(jìn)行預(yù)模擬，觀察小船是否能正常工作，測(cè)試小船的光譜分析水質(zhì)功能。先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的水樣，然后和正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)反復(fù)校正，微型光譜儀使各項(xiàng)數(shù)據(jù)的最大誤差在允許的范圍。

在調(diào)試過程中出現(xiàn)了算法問題，在驗(yàn)證靜態(tài)歐拉角時(shí)，進(jìn)行了8組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其中1組數(shù)據(jù)正常，7組數(shù)據(jù)的其他角正常，但偏航角有一定偏差。在查閱資料后重新將磁力計(jì)和加速度計(jì)與陀螺儀的三軸重新校正對(duì)齊。再重新進(jìn)行大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，偏航角的偏差大幅減小的同時(shí)沒有出現(xiàn)新的問題，其他角的輸出也均在正常的范圍內(nèi)，認(rèn)為該問題解決。有極少數(shù)組因?yàn)閷?shí)驗(yàn)地點(diǎn)周圍磁場(chǎng)影響過大而仍有少量偏差，但已經(jīng)不影響本設(shè)計(jì)的正常應(yīng)用，故不再考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

以DSP處理器為核心的基于光譜分析法的無(wú)人船水質(zhì)在線檢測(cè)技術(shù)能夠節(jié)約傳統(tǒng)基站水質(zhì)檢測(cè)的經(jīng)費(fèi)，縮短工作時(shí)長(zhǎng)，大大提高工作效率，該研究在水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面具有一定的參考價(jià)值。通過該研究，希望在水質(zhì)檢測(cè)方面，從一定空中平臺(tái)研究的領(lǐng)域可以向水面研究的領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展，讓穩(wěn)定控制、數(shù)據(jù)傳輸、人機(jī)同步等技術(shù)得到進(jìn)一步開發(fā)和利用。