伍玲密 虞君錨 方 懿 沈茗戈

（1.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325016；2.上海交通大學(xué)，上海 200240）

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空攝影、應(yīng)急救援、疫情防控、河道巡檢等領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)人機(jī)在河湖管理方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究工作。Esakki等［1］曾嘗試開(kāi)發(fā)用于偏遠(yuǎn)水體藻類(lèi)收集的漂浮四旋翼無(wú)人機(jī)，再通過(guò)微觀分析來(lái)識(shí)別物種。李楊等［2］利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)對(duì)整個(gè)水域的水生植物分布和生物量信息進(jìn)行調(diào)查研究。李維濤等［3］借助Matlab 的數(shù)值影像圖形處理功能，對(duì)河道水面漂浮物進(jìn)行識(shí)別和定位。唐桂榮等［4］利用聚類(lèi)和構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)污染水域進(jìn)行提取、分類(lèi)和識(shí)別。但水空兩棲無(wú)人機(jī)和水上無(wú)人機(jī)的應(yīng)用大多停留在圖像處理、水質(zhì)采集等單一層面，河道清理主要依靠單人乘坐小木船，使用漁網(wǎng)進(jìn)行打撈或人工駕駛打撈船進(jìn)行作業(yè)，而智能化和集成化的功能有待進(jìn)一步研究。

為了有效保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境和減輕人工勞作強(qiáng)度，本研究提出一種基于多光譜遙感技術(shù)的水上智慧運(yùn)維系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)水面自動(dòng)清理為主要突破點(diǎn)，同時(shí)集成水域數(shù)據(jù)獲取、水質(zhì)取樣、水體凈化等輔助功能，從而實(shí)現(xiàn)多功能、多任務(wù)、多模式的日常運(yùn)維和監(jiān)測(cè)，深入推進(jìn)水環(huán)境綜合整治。系統(tǒng)采用主處理模塊加傳感器采集處理模塊的聯(lián)合控制方式，并融入串級(jí)比例積分微分控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的控制，使其具有成本低、集成度高和拓展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

水上智慧運(yùn)維系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、無(wú)人船［5］和地面控制站三大部分組成，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的自動(dòng)清理，如圖1 所示。從系統(tǒng)主要功能出發(fā)，對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和軟件算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

從無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，四旋翼無(wú)人機(jī)和六旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且具有操控靈活的優(yōu)點(diǎn)，但六旋翼無(wú)人機(jī)的軸距更大，有更高的承受載荷，本研究?jī)?yōu)先考慮以六旋翼無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

無(wú)人機(jī)借助多光譜視覺(jué)模塊對(duì)水域進(jìn)行巡檢時(shí)，通過(guò)搭載在無(wú)人機(jī)上的數(shù)碼相機(jī)和多光譜儀等設(shè)備來(lái)獲取影像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)采集靈活、圖像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)定位水面垃圾所在區(qū)域后，會(huì)把位置信息發(fā)送給地面控制站，并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。工作人員根據(jù)地面控制站獲取的水域畫(huà)面來(lái)判斷水域面積大小，并決定是否要派遣無(wú)人船隊(duì)［6-7］。如果水域面積較小，則只需一艘無(wú)人船即可完成水面清理工作，通過(guò)地面控制站對(duì)無(wú)人船的任務(wù)和路線進(jìn)行規(guī)劃。無(wú)人船到達(dá)指定區(qū)域后進(jìn)行作業(yè)，水面垃圾進(jìn)入無(wú)人船的垃圾收集倉(cāng)，經(jīng)壓縮、運(yùn)輸后進(jìn)入打包裝置，打包好的垃圾最終由無(wú)人機(jī)進(jìn)行回收。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)硬件電路（見(jiàn)圖2）采用主處理模塊加傳感器采集處理模塊聯(lián)合控制的方式。

圖2 無(wú)人機(jī)硬件電路框圖

主處理模塊主要負(fù)責(zé)通信處理，發(fā)布任務(wù)給飛行執(zhí)行模塊來(lái)完成相應(yīng)的飛行任務(wù)，并控制視覺(jué)模塊的圖像處理和機(jī)械臂的運(yùn)行。主處理模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用樹(shù)莓派4B 作為主處理芯片，其CPU 為ARM Cortex-A72 處理器，擁有1.5 GHz 的處理能力，能滿足視覺(jué)圖像處理的需求。系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為載體，搭載具備2 080萬(wàn)像素、5.2K 超清畫(huà)質(zhì)的大疆禪思Ze?nmuse X5S鏡頭，用于獲取水域數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水域內(nèi)水面垃圾的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

傳感器采集處理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)定位、定高和姿態(tài)控制。傳感器采集處理模塊芯片采用ARM 公司生產(chǎn)的STM32H743，定位模塊采用支持北斗和GSP的M8N高性能衛(wèi)星接收芯片，氣壓計(jì)采用HP206C 高精度芯片，可以測(cè)量300～1 200 Mbar的壓力。慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）采用MPU6050 模塊整合六軸運(yùn)動(dòng)處理組件，其包含的陀螺儀可準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)人機(jī)在空間內(nèi)3 個(gè)坐標(biāo)軸方向的姿態(tài)角，其內(nèi)部的加速度計(jì)能夠測(cè)量無(wú)人機(jī)的加速度。

2.2 無(wú)人船硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)人船的硬件電路設(shè)計(jì)采用與無(wú)人機(jī)硬件電路相似的原理，如圖3 所示。主處理模塊沿用無(wú)人機(jī)的樹(shù)莓派4B 芯片，主要負(fù)責(zé)通信模塊、行駛模塊、垃圾處理模塊和視覺(jué)模塊的運(yùn)行。通信模塊用于無(wú)人船隊(duì)間的通信，協(xié)調(diào)船只的任務(wù)規(guī)劃。無(wú)人船由兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)的螺旋槳來(lái)提供動(dòng)力。在選擇無(wú)人船隊(duì)行駛模塊、垃圾處理模塊的壓縮電機(jī)和運(yùn)輸電機(jī)時(shí)，選用調(diào)速范圍大，過(guò)載、啟動(dòng)、動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于控制，可靠性高的直流電機(jī)，打包電機(jī)則采用速度較低的小型直流電機(jī)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用工作電流較大、驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的A4950 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。無(wú)人船的視覺(jué)模塊參照無(wú)人機(jī)相同的硬件配置。由于水面航行的高度基本保持一致，與無(wú)人機(jī)相比，無(wú)人船的傳感器采集處理模塊少一個(gè)定高模塊，多一個(gè)外部感知模塊，通過(guò)處理超聲波傳感器采集到的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)避障。

圖 無(wú)人船硬件電路框圖

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人船進(jìn)行受力分析，通過(guò)模型線性化對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立模型公式，方便主處理器處理系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)和無(wú)人船位姿（即位置和航向）。

3.1 六旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型（空中飛行）

假設(shè)六旋翼無(wú)人機(jī)除了受重力和升力影響外，不受其他力的影響，如圖4 所示，無(wú)人機(jī)升降、俯仰、橫滾和偏航4種運(yùn)動(dòng)的控制量見(jiàn)式（1）。

式中：U1、U2、U3、U4分別為總升力、俯仰力矩、橫滾力矩、偏航力矩［8］。這四種運(yùn)動(dòng)的控制量直接與無(wú)人機(jī)飛行控制算法的輸出量相關(guān)聯(lián)；F1、F2、F3、F4、F5、F6分別為1～6號(hào)螺旋槳提供的升力；a為各電機(jī)到無(wú)人機(jī)中心的距離；k1、k2、k3、k4、k5、k6為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

3.2 無(wú)人船運(yùn)動(dòng)模型（水面行駛）

如圖 4（d）所示，（XG，YG）為地面坐標(biāo)系，（XL，YL）為船體坐標(biāo)系，OL為船體中心，OLXL為船體前進(jìn)方向，設(shè)p 為無(wú)人船的位姿，船體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型見(jiàn)式（2）。

圖4 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

式中：（x，y）為船體位置；θ為船體航向角。

4 軟件算法控制

一般的PID控制算法是根據(jù)反饋量與輸入量的偏差，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，并不斷調(diào)整參數(shù)，沒(méi)有對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行細(xì)致分析。這種算法對(duì)控制對(duì)象滯后和時(shí)間常數(shù)很大、干擾作用強(qiáng)且頻繁的系統(tǒng)，是很難通過(guò)調(diào)整最佳參數(shù)來(lái)獲取高質(zhì)量的控制效果。因此，本研究采用串級(jí)PID 控制算法［9-11］，通過(guò)引入一個(gè)副變量來(lái)增加系統(tǒng)的工作頻率，能提高系統(tǒng)的自適應(yīng)負(fù)荷能力和抗干擾性。

4.1 六旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制算法

六旋翼無(wú)人機(jī)飛行的串級(jí)PID 控制算法分為內(nèi)外兩個(gè)控制環(huán)，如圖5 所示。其中，外環(huán)用于控制姿態(tài)角，內(nèi)環(huán)用于控制角速度，可增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。俯仰、橫滾和偏航3 個(gè)期望姿態(tài)角（αe，βe，γe）與 IMU 姿態(tài)解算后反饋得出實(shí)時(shí)姿態(tài)角（α，β，γ）的角度偏差，經(jīng)外環(huán)的微分運(yùn)算輸出角速度，即內(nèi)環(huán)期望角速度（pe，qe，re）與陀螺儀測(cè)得的實(shí)時(shí)角速度（p，q，r）的偏差作為內(nèi)環(huán)輸入，最終內(nèi)環(huán)輸出通過(guò)控制量轉(zhuǎn)換得到不同的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行和各種姿態(tài)變換。

圖5 無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制流程

4.2 無(wú)人船行駛控制算法

以地面坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，無(wú)人船行駛的串級(jí)PID 控制算法（見(jiàn)圖6）分為內(nèi)外兩個(gè)控制環(huán)，外環(huán)用于控制無(wú)人船的位姿，首先將無(wú)人船的期望位姿（x，y，θ）與IMU 位姿解算后反饋的實(shí)時(shí)位姿（X，Y，Θ）的偏差傳輸給外環(huán)PID控制器，通過(guò)微分運(yùn)算輸出無(wú)人船的角速度，通過(guò)比例運(yùn)算轉(zhuǎn)換成線速度v，再根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行微分運(yùn)算，得到左螺旋槳加速度aL和右螺旋槳加速度aR，作為內(nèi)環(huán)的期望值輸入，內(nèi)環(huán)用于左、右螺旋槳的加速度控制，加速度aL和aR經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算轉(zhuǎn)換成控制左右電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM 信號(hào)，用于調(diào)整左右螺旋槳的轉(zhuǎn)速nL和nR，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船的姿態(tài)變換。

圖6 無(wú)人船位姿控制流程

5 結(jié)語(yǔ)

基于多光譜遙感技術(shù)的水上智慧運(yùn)維系統(tǒng)解決方案主要對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人船進(jìn)行設(shè)計(jì)，涵蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和軟件算法設(shè)計(jì)。多光譜遙感技術(shù)能快速無(wú)損地獲取水域的高分辨率影像數(shù)據(jù)。主處理模塊加傳感器采集處理模塊聯(lián)合控制方式能較好地處理主控硬件平臺(tái)與各種傳感器的通信、數(shù)據(jù)處理與分析，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。串級(jí)PID 控制算法在增加系統(tǒng)工作頻率的同時(shí)，提高系統(tǒng)的抗干擾性，達(dá)到更好的控制效果。后續(xù)可在此基礎(chǔ)上開(kāi)展水陸空三棲系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。