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)

0 引言

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。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

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

2 無人船船體子系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 船體設(shè)計(jì)指標(biāo)

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

2.2 無人船船體選型

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

2.3 無人船的主控板及動(dòng)力單元

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

3 通訊子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。

4 地面站子系統(tǒng)

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

5 系統(tǒng)的安裝及測(cè)試

5.1 無人船安裝及測(cè)試

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)

5.2 地面站子系統(tǒng)及其測(cè)試

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

6 結(jié)束語

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)。