吳述園,朱紅生,費(fèi)曉昕,馬志堅(jiān),唐 萌
(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司,安徽 馬鞍山 243005;2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院)
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程的加速,水環(huán)境的保護(hù)面臨著嚴(yán)峻的壓力。水質(zhì)監(jiān)測(cè)是保護(hù)水環(huán)境的重要舉措,通過檢測(cè)水體中所含污染物的種類、含量及其變化趨勢(shì),對(duì)水體質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),進(jìn)而為水環(huán)境的治理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
目前常用的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法主要有人工取水、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)和建立監(jiān)測(cè)站三種。人工取水主要是使用船只搭載監(jiān)測(cè)人員與監(jiān)測(cè)設(shè)備,前往監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集水樣并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。人工取水精度高、指標(biāo)全,但只適用于開闊水域,采樣密度和效率均較低,數(shù)據(jù)需人工記錄,且無法把水質(zhì)數(shù)據(jù)與地理位置數(shù)據(jù)準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。浮標(biāo)監(jiān)測(cè)是利用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集并發(fā)送數(shù)據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)固定點(diǎn)水質(zhì)的全天候監(jiān)測(cè)。該方法也僅能監(jiān)測(cè)特定點(diǎn)的數(shù)據(jù),靈活性欠佳。監(jiān)測(cè)站在數(shù)據(jù)測(cè)量的精度、廣度等方面更勝一籌,但在造價(jià)、維護(hù)成本及對(duì)人工需求度等均較高。而智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展為水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了新的解決途徑。
針對(duì)上述方法存在的局限性,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于智能無人船的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分為無人船子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和岸基子系統(tǒng)三部分。無人船子系統(tǒng)包括船體選型設(shè)計(jì)、動(dòng)力部分元器件選型和設(shè)計(jì)等;通訊子系統(tǒng)基于4G模塊搭建通訊網(wǎng)絡(luò),作為無人船和岸基子系統(tǒng)通訊的橋梁;岸基子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)無人船做路徑規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)操控性好、數(shù)據(jù)采集靈活度高、數(shù)據(jù)管理方便,滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求。
本方案以Pixhawk4 作為控制板,并對(duì)船體結(jié)構(gòu)和相關(guān)元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型,實(shí)現(xiàn)了一款可以自動(dòng)巡航或遙控巡航方式航行的無人船,能夠搭載多種水質(zhì)傳感器采集目標(biāo)水域水質(zhì)數(shù)據(jù),并基于4G技術(shù)搭建通信子系統(tǒng),為無人船和岸基子系統(tǒng)之間提供控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的傳輸。岸基子系統(tǒng)由地面站軟件Mission Planner 軟件和數(shù)據(jù)管理軟件構(gòu)成,前者實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢測(cè)點(diǎn)路線的規(guī)劃,后者則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、檢索等管理操作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖及系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。
圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
針對(duì)實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求,需要考慮以下因素:
⑴作為水質(zhì)檢測(cè)傳感器的載體,內(nèi)部應(yīng)當(dāng)預(yù)留足夠的空間以便用來放置各種傳感器和元器件;
⑵船體材質(zhì)應(yīng)當(dāng)滿足在小型碰撞下不變形,長(zhǎng)時(shí)間在水中行駛不滲水且船體重量應(yīng)盡可能輕便的特點(diǎn);
⑶易于操控且便于后期擴(kuò)展。
結(jié)合以上因素,對(duì)無人船設(shè)計(jì)提出了以下指標(biāo)及要求,如表1所示。
表1 船體與動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)要求
根據(jù)上述要求,首先對(duì)船體及其材料進(jìn)行選型。目前市面上主流的船體形狀分為單體式和雙體式,單體式船船體構(gòu)造簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,密封性好,但內(nèi)部空間小,不能放置過多的元器件;雙體式由兩個(gè)的船體通過連接倉連結(jié)而成,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,但其內(nèi)部空間大,能夠裝載更多設(shè)備,且穩(wěn)定性和操控性更好。
綜合分析,本設(shè)計(jì)選用結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的單體式船體,材質(zhì)選用聚乙烯材質(zhì),便于后續(xù)對(duì)船體進(jìn)行改裝以便增添器件,船體如圖3所示。
圖3 無人船船體圖
主控板作為接受和發(fā)送航行指令、控制無人船航行的核心,在整個(gè)無人船系統(tǒng)中扮演者十分重要的角色。本設(shè)計(jì)采用Pixhawk4 控制板,因其擁有32 位STM32F765FPU 處理器芯片、非常豐富的硬件接口,如圖4所示。
圖4 Pixhawk4主控板的接口
為了滿足無人船在復(fù)雜水域作業(yè)的要求,本課題對(duì)無人船的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。關(guān)于推進(jìn)方式的選擇,比較了差速驅(qū)動(dòng)和涵道式驅(qū)動(dòng)兩種單體式無人船主流的推進(jìn)方式,考慮到船體前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等操控的靈活性,結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度與經(jīng)濟(jì)性等因素,最終采用螺旋槳差速驅(qū)動(dòng)的方式。
此外,因無人船作為移動(dòng)平臺(tái),需為業(yè)務(wù)預(yù)留4公斤載重裕度,通過前期對(duì)船體進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析,綜合載重推算出需要的推力,從而確定電機(jī)和電調(diào)參數(shù)。本設(shè)計(jì)選用的兩個(gè)直流無刷電機(jī),實(shí)際巡航速度下功率為80W~120W,峰值電流為時(shí)52A,通過Pixhawk4控制板輸出的PWM 信號(hào)進(jìn)行控制。根據(jù)上述直流無刷電機(jī)的型號(hào),選取合適的電子調(diào)速器,所選的電調(diào)輸出峰值電流為70A~80A,電調(diào)電壓范圍為7.4V~24V。此外,根據(jù)系統(tǒng)器件的總功率和航行時(shí)間計(jì)算電池容量,本設(shè)計(jì)采用單個(gè)容量為5300mAh 的鋰電池組,額定電壓為22.2V,所選取的元器件如圖5所示。
圖5 動(dòng)力單元元器件
通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將操控?zé)o人船的地面站子系統(tǒng)中的控制信息發(fā)送給無人船,并將無人船上采集的水質(zhì)信息發(fā)送至地面站。無人船在目標(biāo)水域航行,檢測(cè)環(huán)境可能會(huì)存在信號(hào)差、電磁干擾等不利條件,所以選用合適的通訊方式極為重要。綜合考慮后,本設(shè)計(jì)采用華為4G模塊作為信號(hào)的收發(fā)器。
在傳輸數(shù)據(jù)過程中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊數(shù)據(jù)大批量、快速處理和傳輸,僅僅依靠傳統(tǒng)的TCP/IP 的協(xié)議不能滿足課題需要,本課題引入MAVLINK通訊協(xié)議,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、加密,經(jīng)由4G 模塊在局域網(wǎng)內(nèi)經(jīng)行轉(zhuǎn)發(fā),對(duì)端接收后對(duì)加密信息進(jìn)行解密和處理,從而獲得所需要的信息。MAVLINK消息幀格式如圖6所示。
圖6 消息格式
由數(shù)據(jù)的傳輸方式可知,無人船和地面站需要在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,因此構(gòu)建安全穩(wěn)定的局域網(wǎng)是保證數(shù)據(jù)通訊可靠傳輸?shù)那疤?。利用FRP 反向代理技術(shù),將私網(wǎng)IP 替換成公網(wǎng)IP,利用組網(wǎng)技術(shù),通過租借阿里云的服務(wù)器,將無人船和Mission Planner 地面站組建到一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi),保證二者之間可靠通訊。
地面站子系統(tǒng)運(yùn)行于上位機(jī)端的軟件,其功能包括:顯示無人船子系統(tǒng)的狀態(tài)信息、控制無人船子系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)試設(shè)置無人船子系統(tǒng),以及規(guī)劃航線等。本設(shè)計(jì)選用開源的地面站Mission Planner,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。
地面站子系統(tǒng)分為控制主窗口、航線規(guī)劃主窗口和調(diào)試設(shè)置主窗口三部分,具體功能如下:
⑴控制主窗口如圖7所示,用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示無人船子系統(tǒng)運(yùn)行信息,由運(yùn)行狀態(tài)子窗口、運(yùn)行位姿子窗口,以及通信連接子窗口等組成。運(yùn)行信息主要由無人船子系統(tǒng)的位姿信息和狀態(tài)信息,以及攝像頭拍攝的視頻信息組成。運(yùn)行狀態(tài)子窗口用于顯示無人船子系統(tǒng)運(yùn)行信息和攝像頭拍攝的視頻信息。運(yùn)行位姿子窗口將無人船子系統(tǒng)運(yùn)行軌跡匹配地圖顯示。通信連接子窗口用于連接無人船子系統(tǒng)。
圖7 控制主窗口
⑵航線規(guī)劃主窗口如圖8所示,主要用于規(guī)劃航線,以及將航線發(fā)送至無人船子系統(tǒng)。其主要由航線規(guī)劃地圖子窗口與航點(diǎn)信息子窗口組成。其中航線規(guī)劃地圖子窗口可以直接使用上面的地圖點(diǎn)擊設(shè)置航點(diǎn),進(jìn)行航線規(guī)劃,完成后將航線信息保存為JSON格式,并發(fā)送給無人船子系統(tǒng)。航點(diǎn)信息子窗口用于顯示航點(diǎn)信息,以及可以設(shè)置無人船子系統(tǒng)運(yùn)行到航點(diǎn)時(shí)的模式。
圖8 航線規(guī)劃主窗口
⑶調(diào)試設(shè)置主窗口如圖9所示,主要由調(diào)試子窗口與設(shè)置子窗口組成。調(diào)試子窗口用于無人船子系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試,其中提供了速度、轉(zhuǎn)向、航跡等多種調(diào)試模式。設(shè)置子窗口用于設(shè)置無人船子系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)。
圖9 調(diào)試設(shè)置主界面
安裝過程中首先要保證船體內(nèi)部布局合理,并為水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備預(yù)留空位,并確保船體密封良好,元器件焊接牢固。首次試航采用DS18B20 溫度傳感器作為測(cè)試數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぞ?,無人船安裝示意圖如圖10所示。
圖10 無人船安裝示意圖
為了測(cè)試所設(shè)計(jì)的無人船在實(shí)際環(huán)境下的航行效果,本實(shí)驗(yàn)選定人工湖進(jìn)行了航行試航。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,船體航行穩(wěn)定,速度適中,滿足設(shè)計(jì)要求,試航過程如圖11所示。
圖11 無人船航行試驗(yàn)
地面站是運(yùn)行于上位機(jī)的軟件,用于對(duì)無人船進(jìn)行遠(yuǎn)程操控,設(shè)置巡航路線,通過通信子系統(tǒng)與無人船進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的交換。本課題采用開源的Mission Planner 地面站,實(shí)現(xiàn)了無人船自主航行模式下的航行路線規(guī)劃。
此外,通過主控板外接攝像頭,可將獲取的環(huán)境圖像通過通信子系統(tǒng)發(fā)回地面站,進(jìn)行顯示,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)基于圖像處理的自動(dòng)避障,或由操縱者切換成手動(dòng)模式進(jìn)行控制,以保證無人船的航行安全。地面站測(cè)試如圖12 所示,其中可見無人船運(yùn)行圖像、相關(guān)參數(shù)及攝像頭回傳的視頻等信息。
圖12 地面站測(cè)試
本文研究了無人船的現(xiàn)狀,針對(duì)傳統(tǒng)湖泊、河流開展檢測(cè)工作受環(huán)境條件影響過大的難題,設(shè)計(jì)制作了一款可搭載多臺(tái)檢測(cè)設(shè)備的無人船。實(shí)驗(yàn)包含了船體的設(shè)計(jì),控制板的選型以及元器件的安裝焊接,最后完成了船體實(shí)地調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好,船體航行穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo),為復(fù)雜河流、湖泊勘探及水質(zhì)分析提供了一種新的解決方案。后續(xù)期待更換較大的船體以攜帶更多的設(shè)備對(duì)水體進(jìn)行更全面的監(jiān)測(cè)。