趙春宇,姜 皓,徐茂竹,滿偉俊,楊偉明,陳范模

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院, 上海 201100;2.上海十方生態(tài)園林股份有限公司,上海 201100)

我國是一個淡水資源極度匱乏的國家,人均淡水資源量僅為2 300 m3。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,人類不加限制地向水中排放污染物,一些含有氮磷的廢水或廢棄物會直接或從土壤中進入水體,城市水域中的水環(huán)境受到嚴峻的挑戰(zhàn)[1-2]。水域管養(yǎng)包括水質(zhì)監(jiān)測和污染治理等方面,傳統(tǒng)的在線監(jiān)測方式需要部署大量的傳感器[3-6]。近年來,隨著無人駕駛技術(shù)的發(fā)展,無人船開始被應(yīng)用在水域管養(yǎng)領(lǐng)域[7]。其中,Demetillo等[8]結(jié)合商用傳感器和定位系統(tǒng),設(shè)計了能按照預(yù)先輸入的導(dǎo)航路線進行水質(zhì)測量的無人船。孫洪民等[9]設(shè)計了水質(zhì)數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee通信的電路,并將該系統(tǒng)搭載在無人船終端上完成了水質(zhì)監(jiān)測。江先亮等[10]融合無人船和多個傳感器,提出以懸停采樣為主的監(jiān)測和低航速下的異常檢測方案。這些無人船系統(tǒng)雖然在一定程度上增加了監(jiān)測的面積,但是僅具有水質(zhì)檢測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?在檢測到污染后缺乏應(yīng)急的自動處理能力。

筆者針對目前無人船系統(tǒng)功能單一的問題,設(shè)計了集城市水域管理養(yǎng)護于一體的智能無人船系統(tǒng)。該系統(tǒng)在水域區(qū)域巡航和檢測的基礎(chǔ)上,加入自動管養(yǎng)的功能,能夠自動對水質(zhì)異常點進行應(yīng)急處理,以期為城市水域治理提供一種新的解決方案,進一步提高水域管養(yǎng)的智能化程度。

1 城市水域監(jiān)測養(yǎng)護系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對無人船終端的遠程控制以及通過監(jiān)控獲得數(shù)據(jù),設(shè)計如圖1所示的信息化系統(tǒng)架構(gòu)。信息化系統(tǒng)分為移動端、云端以及無人船終端3部分。移動端作為可視化平臺,在網(wǎng)絡(luò)下能夠?qū)崟r呈現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,并完成指令下發(fā)的功能;云端主要負責(zé)數(shù)據(jù)的運算以及持久化,并完成和移動端的遠程通信,用以返回監(jiān)測結(jié)果和接受控制指令;無人船終端作為作業(yè)的平臺,負責(zé)搭載水質(zhì)傳感器按照規(guī)定

圖1 信息化系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Information system architecture

的任務(wù)巡航并獲取數(shù)據(jù),終端上的樹莓派作為現(xiàn)場主機負責(zé)下發(fā)指令以及解析數(shù)據(jù)。

無人船不僅需要集成多種作業(yè)設(shè)備,而且需要滿足航行穩(wěn)定的需求。設(shè)計船體的結(jié)構(gòu)及外部設(shè)備如圖2所示。無人船兩側(cè)各有一個船艙,船艙內(nèi)裝有直流無刷減速電機、氣泵、水泵和傳動結(jié)構(gòu)。中控系統(tǒng)安裝在尾部的船艙內(nèi),包括樹莓派、測控板和移動Wi-Fi。

圖2 無人船F(xiàn)ig.2 Unmanned surface vehicle

為了同時進行多種水質(zhì)參數(shù)的測量,選用ZZ-WQS-MPA多參數(shù)自清潔傳感器進行在線監(jiān)測,具體性能和監(jiān)測參數(shù)如表1所示。該傳感器能夠?qū)θ芙庋?、濁度、pH和溫度參數(shù)進行實時測量,其量程及精度符合內(nèi)陸湖泊的監(jiān)測需求。

表1 ZZ-WQS-MPA多參數(shù)自清潔傳感器性能和監(jiān)測參數(shù)Table 1 Performance and monitoring parameters of ZZ-WQS-MPA multi-parameter self-cleaning sensor

1.1 自動撒藥和曝氧方案設(shè)計

絮凝沉降法是改善水質(zhì)的一種重要方法,常用于黑臭水體應(yīng)急處理[11]。為便于系統(tǒng)在檢測到嚴重污染時作出快速響應(yīng),儲藥桶中裝載了高濃度的絮凝劑溶液。船載作業(yè)裝置如圖3所示。其中A,B,C,D,E,F,G,H為電磁閥,由繼電器控制。

圖3 作業(yè)裝置連接示意圖Fig.3 Connection of working device

當檢測裝置檢測到該水域濁度超標或氧質(zhì)量濃度不足時,自動啟動撒藥或曝氧程序。

撒藥具體流程如下：

1) 打開電磁閥A,D,H和水泵2,向儲藥桶6內(nèi)注水,液位計3測定液位到達設(shè)定值后,關(guān)閉電磁閥D,H。

2) 打開電磁閥C,G,向儲水桶5內(nèi)注水,液位計4測定液位到達設(shè)定值后,關(guān)閉電磁閥A,C及水泵。

3) 打開氣泵1及電磁閥B,D,待儲藥桶6內(nèi)氣壓達到設(shè)定值時,打開電磁閥E,使儲藥桶6內(nèi)的部分藥水注入儲水桶5中,達到設(shè)定值后關(guān)閉電磁閥E,G。

4) 打開電磁閥C,F,將稀釋后的藥水通過噴頭7灑出,待撒藥完畢后關(guān)閉電磁閥B,D,F。

5) 重復(fù)2)～4)步驟。

曝氧具體流程如下：

1) 打開水泵2及電磁閥A,向儲水桶5中灌水，達到設(shè)定值時關(guān)閉電磁閥A。

2) 打開氣泵1及電磁閥B,向儲水桶5內(nèi)加壓,同時將噴頭7轉(zhuǎn)換為管口模式,通過高壓水流落入水面增加水體與空氣的接觸

3) 重復(fù)1),2)步驟。

1.2 測控板設(shè)計

由于系統(tǒng)需要與多個設(shè)備進行通訊及控制,設(shè)計如圖3所示的測控板。其主控芯片STM32F030C8T6外圍電路包括2個量程可調(diào)的ADC接口、1個RS485通信接口、1個USB的串口通信接口、2個直流無刷電機輸出控制信號組、8個可控24 V輸出繼電器。每塊控制板輸入電壓為48 V,可分別向外圍電路提供3.3,5,12 V電壓。

圖4 測控板Fig.4 Measurement and control board

測控板在接收到主機指令后的流程圖如圖5所示。上位機通過USB總線發(fā)送指令并經(jīng)CH341T芯片轉(zhuǎn)換為USART信號,單片機觸發(fā)USART串口中斷,并進入中斷接收指令。單片機對接收到的指令進行判斷,對合法指令作出響應(yīng)。測控板在接收到完整傳感器數(shù)據(jù)后,針對數(shù)據(jù)的內(nèi)容進行準確性判斷,并將準確數(shù)據(jù)發(fā)送給主控板并上傳云端進行存儲。

圖5 測控板工作流程Fig.5 Work flow of measurement and control board

移動端APP界面如圖6所示,用戶可以查看各類型傳感器實時監(jiān)測的數(shù)據(jù),包括各項水質(zhì)指標、無人船當前所在位置及姿態(tài)。

圖6 APP界面Fig.6 Interface of APP

同時,用戶不僅可以查詢指定日期和指定檢測地點的歷史數(shù)據(jù),獲取水質(zhì)各項指標的歷史變化趨勢,而且可以指定目標檢測點,查看系統(tǒng)規(guī)劃的航行路徑。

2 無人船自主航行

為使無人船具備自主航行能力,針對無人船的路徑跟蹤問題設(shè)計了雙環(huán)PID控制器。

2.1 坐標轉(zhuǎn)換

無人船在運行的過程中,船載控制中心會基于實時的GPS坐標,計算無人船當前位置和目標位置的距離,計算式為

(1)

(2)

同時,使用極坐標法求得兩點間角度為

θ=atan2(sin(λ2-λ1)cosφ2,cosφ1sinφ2-
sinφ1cosφ2cos(λ2-λ1))

(3)

2.2 路徑跟蹤控制器設(shè)計

圖7 路徑跟蹤控制器Fig.7 Path tracking controller

3 實地測試和部署

系統(tǒng)測試在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)致遠湖進行。測試前,通過衛(wèi)星云圖將目標河道的地圖轉(zhuǎn)換成柵格地圖,并加載預(yù)設(shè)點的坐標。

首先,檢驗了無人船遠程連接的穩(wěn)定性和實時性,通過APP中的操控界面對無人船進行運動控制,結(jié)果證明無人船不僅能夠在0.1 s內(nèi)快速響應(yīng)控制指令,而且能夠?qū)⒉杉降漠斍拔恢玫乃|(zhì)參數(shù)實時顯示在界面中。

然后,設(shè)定無人船進入自動航行狀態(tài),對設(shè)定的采樣點進行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比,無人船裝載在線水質(zhì)檢測傳感器測得的水質(zhì)參數(shù)與采樣后送檢的水樣測得的水質(zhì)參數(shù)結(jié)果相近,部分數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知:氧質(zhì)量濃度相對誤差在1.0%以內(nèi),pH相對誤差在0.9%以內(nèi),濁度相對誤差在3.4%以內(nèi),以上數(shù)據(jù)均在該傳感器的精度范圍內(nèi),證明了在線檢測的準確性。

表2 水質(zhì)參數(shù)測量結(jié)果對比Table 2 Comparison of measurement results of water quality parameters

最后,系統(tǒng)對獲得的水質(zhì)參數(shù)進行實時處理和計算,并根據(jù)與整個水域檢測平均值的偏離量標記出可能的水質(zhì)異常點,在測試中,對濁度異常點進行單次灑藥,結(jié)果如表3所示,噴灑的絮凝劑能夠持續(xù)有效降低污染水體中的濁度。對溶解氧異常點進行持續(xù)0.5 h曝氧,結(jié)果如表4所示,在曝氧期間,水體中氧質(zhì)量濃度明顯提高,停止曝氧后,水中氧質(zhì)量濃度又逐漸下降。

表3 濁度異常點管養(yǎng)結(jié)果Table 3 Results of turbidity-abnormal point management

表4 氧質(zhì)量濃度異常點管養(yǎng)結(jié)果Table 4 Results of DO-abnormal point management

驗證系統(tǒng)有效后,在上海市閔行區(qū)放鶴谷景觀河道中進行實地部署,該水域為狹長形,長約300 m,寬約5 m。在更長的時間維度上,無人船系統(tǒng)采用每小時定點測量的方式對該水域進行監(jiān)控,該水域從2021年7月19日15時開始共48 h的水質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律如圖8所示。其中圖8(a)為氧質(zhì)量濃度的變化,過程中氧質(zhì)量濃度為(8.12±0.28) mg/L,晚上的氧質(zhì)量濃度略高于白天的氧質(zhì)量濃度。圖8(b)為溫度的變化,過程中溫度為(24.43±4.11) ℃。通過圖8(a,b)的對比,湖泊中的氧質(zhì)量濃度和水溫呈現(xiàn)一定的負相關(guān)關(guān)系。圖8(c)為濁度的變化,過程中濁度為(31.01±3.88) NTU。圖8(d)為pH變化,過程中pH為8.07±0.3。濁度和pH都變化不大,說明該水域水質(zhì)較為穩(wěn)定。

圖8 水質(zhì)參數(shù)變化曲線Fig.8 Curve of water quality parameters

4 結(jié) 論

根據(jù)小型水域環(huán)境治理的需求,開發(fā)了一種無人船系統(tǒng)對城市水域進行水體管養(yǎng)。通過對船載測控板、航向控制器和云端平臺等的設(shè)計,使該無人船具備實時采集水質(zhì)參數(shù)、遠程監(jiān)控和開闊水域內(nèi)自主導(dǎo)航等功能。實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以對污染區(qū)域進行及時處理，不僅運行穩(wěn)定,而且實時性好,獲得的水質(zhì)數(shù)據(jù)能滿足監(jiān)測要求。總體來說,該系統(tǒng)能在一定程度上解放人力,不僅有助于推動水質(zhì)監(jiān)測信息化的進步,而且有利于環(huán)境綜合治理。