吳昊，吳子昂，孟慶斌，劉廣偉

（南開(kāi)大學(xué) 濱海學(xué)院，天津， 300270）

0 引言

如今，我國(guó)普遍采用固定水質(zhì)監(jiān)測(cè)站以及現(xiàn)場(chǎng)人工取樣進(jìn)行檢測(cè)兩種方式。這些檢測(cè)方法都存在一些弊端，如檢測(cè)效率低且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、檢測(cè)地點(diǎn)有限不靈活等。具有自主巡航能力的無(wú)人船系統(tǒng)與傳統(tǒng)的固定點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)具有較好的靈活性，可以快速部署到指定水域，按照終端輸入的參數(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人船自主巡航，進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測(cè)，大幅減輕工作人員的工作量，降低工作的危險(xiǎn)系數(shù)。通過(guò)前端傳感器可以采集水體溫度、溶解氧、濁度、pH值等信息，相關(guān)監(jiān)測(cè)信息匯總到數(shù)據(jù)服務(wù)中心，為有關(guān)部門(mén)對(duì)指定水域的應(yīng)急治理提供參考。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

自主巡航無(wú)人船系統(tǒng)使用樹(shù)莓派處理命令，通過(guò)MAVLINK協(xié)議與Pixhawk控制板通信，發(fā)布位置和速度期望，由控制板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)人船自主巡航功能。

如圖1所示，無(wú)人船主要通過(guò)樹(shù)莓派和Pixhawk控制板通信來(lái)進(jìn)行無(wú)人船的航行控制，水質(zhì)傳感器則通過(guò)RS485轉(zhuǎn)USB模塊接入到樹(shù)莓派中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，地面站和服務(wù)端下發(fā)操控指令和無(wú)人船姿態(tài)信息、傳感器讀取則是通過(guò)4G路由器間接與樹(shù)莓派進(jìn)行通訊。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由五個(gè)重要部分組成，分別為：控制和導(dǎo)航模塊、通信模塊、動(dòng)力模塊、傳感器模塊、電源模塊。系統(tǒng)實(shí)物圖、硬件整體框架圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 船體硬件示意圖

圖3 硬件框架圖

■2.1 控制和導(dǎo)航模塊

無(wú)人船的控制模塊采用Pixhawk2.4.8控制板，其主要控制無(wú)人船的速度以及前進(jìn)方向，能夠讓無(wú)人船按照既定路線行駛。Pixhawk是一款32位開(kāi)源的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)，內(nèi)置2組加速計(jì)、2組陀螺儀、1組電子羅盤(pán)、1組數(shù)字氣壓計(jì)同時(shí)其擴(kuò)展性強(qiáng)。設(shè)備處理器以STM32F427主控及STM32F100故障保護(hù)協(xié)處理器作為基礎(chǔ)，保障設(shè)備正常運(yùn)行。

對(duì)于無(wú)人船的位置信息（經(jīng)緯度信息以及航行方向），系統(tǒng)采用外置M8N GPS定位模塊，同樣是設(shè)備進(jìn)行自主巡航功能的重要模塊。該模塊具有較高的靈敏度，并且體積小功耗低，其內(nèi)置的電子羅盤(pán)可以彌補(bǔ)Pixhawk內(nèi)部電子羅盤(pán)易受干擾的缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

■2.2 通信模塊

通信模塊由接收機(jī)、數(shù)傳、4G工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器構(gòu)成。在能夠使用人工的條件下，可以使用手柄與接收機(jī)通信控制無(wú)人船；在配備手持終端的情況下，可以通過(guò)數(shù)傳連接地面站進(jìn)行巡航任務(wù)的初步配置；4G路由器則是發(fā)射一個(gè)連接到4G網(wǎng)的WiFi，樹(shù)莓派能夠通過(guò)其連接到Internet與用戶終端進(jìn)行巡航任務(wù)的配置和數(shù)據(jù)傳輸。

通信模塊均采用現(xiàn)成的成品模塊：接收機(jī)為FS-IA6B六通道接收機(jī)，通過(guò)PPM協(xié)議用杜邦線與控制模塊相連，實(shí)測(cè)與遙控器連距離約500m；無(wú)線數(shù)傳采用433MHZ頻段，實(shí)測(cè)通信距離約800m，通過(guò)4pin-1.25mm的接線端子連接到控制器的串口2上；4G路由器使用的是有人云4G工業(yè)無(wú)線路由器，插上物聯(lián)網(wǎng)卡后路由器能夠提供WIFI信號(hào)供樹(shù)莓派連接，在周?chē)拘盘?hào)強(qiáng)、直徑200m的湖面上能夠穩(wěn)定地連接到Internet。

■2.3 動(dòng)力模塊

對(duì)于動(dòng)力模塊而言，其主要組成部分為電機(jī)和電調(diào)。系統(tǒng)采用有刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)電調(diào)，電調(diào)信號(hào)線支持兩路PWM，通過(guò)改變兩路PWM信號(hào)的占空比能夠調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)，電調(diào)的PWM信號(hào)與控制模塊的PWM接口直接相連。PWM信號(hào)占空比與電機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。當(dāng)PWM1線上產(chǎn)生方波、PWM2線上只有低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。方波的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖4 PWM信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)示意圖

■2.4 傳感器模塊

設(shè)備搭載RS485通信協(xié)議的水質(zhì)傳感器，能夠在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。水體酸堿平衡、水體渾濁、水體溶解氧、電導(dǎo)率等是檢測(cè)水質(zhì)和判斷水質(zhì)純度的重要指標(biāo)。系統(tǒng)采用了四個(gè)不同的傳感器對(duì)這四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器測(cè)量精度和測(cè)量范圍

如圖5所示，為避免傳感器在水中受到損壞，我們?cè)O(shè)計(jì)了傳感器回收裝置。①為控制電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速；②是軸桿，用于承載傳感器線纜；③是滑環(huán)，滑環(huán)的兩側(cè)帶有能夠傳輸信號(hào)的線材，一端旋轉(zhuǎn)時(shí)另一端可以保持固定不動(dòng)，同時(shí)不影響信號(hào)線材上信號(hào)的傳輸；④為傳感器，傳感器線材最大長(zhǎng)度2.5m，在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下能夠纏繞在軸桿上。

圖5 傳感器回收裝置

■2.5 電源模塊

船體上搭載多個(gè)傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不同的子模塊需要不同的電源電壓。為了能夠便于充電、組裝，系統(tǒng)使用12V電源統(tǒng)一供電，12V電源直接接入電調(diào)。對(duì)于機(jī)載電腦樹(shù)莓派、傳感器、Pixhawk控制板的供電，我們采用了TPS5430降壓芯片的降壓模塊作為其供電方案。

硬件設(shè)計(jì)中的DCDC降壓模塊參考TPS5430數(shù)據(jù)手冊(cè)中的原理圖，如圖6所示。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)D1上的正向電壓VD和電感支路上的等效電阻RL設(shè)計(jì)輸出VOUT的大小。系統(tǒng)搭載的降壓電路的元件參數(shù)與圖6一致，該電路設(shè)計(jì)支持10.8~19.8V寬電壓輸入，5V輸出，最大輸出電流3A，輸出電壓波紋30mV，開(kāi)關(guān)頻率500kHz，該降壓電路適合作為嵌入式設(shè)備的電源。

圖6 TPS5430降壓電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)程序框圖

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無(wú)人船會(huì)按照期望速度自主航行至待測(cè)水域，等待當(dāng)前待測(cè)水域檢測(cè)完畢后再自主航行至下一個(gè)水域，直到所有目標(biāo)水域檢測(cè)完畢后返航。船體每次到達(dá)航點(diǎn)都需要停留一段時(shí)間用于執(zhí)行水質(zhì)檢測(cè)任務(wù)。由于QGC執(zhí)行的巡航任務(wù)無(wú)法完成間斷性的巡航，于是我們利用MAVROS包編寫(xiě)了新的巡航程序。完整的巡航程序和傳感器通訊回收程序框圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序框圖

■3.2 巡航任務(wù)子程序

巡航任務(wù)子程序的主要功能是無(wú)人船能夠按照程序中內(nèi)置的幾個(gè)巡航點(diǎn)完成巡航任務(wù)，無(wú)人船巡航的過(guò)程可以看作是無(wú)人船點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，我們需要對(duì)無(wú)人船的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模。

3.2.1 固定雙槳無(wú)人船運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

系統(tǒng)采用固定雙槳型的船體，電機(jī)同速時(shí)前進(jìn)，依靠左右電機(jī)差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向。無(wú)人船在水中的運(yùn)動(dòng)包含縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖六個(gè)自由度，為了便于分析，實(shí)際可對(duì)自由度進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮橫搖、縱搖、艏搖三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。另外，我們需要建立合理的坐標(biāo)系用于精確描述船體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，采用NED坐標(biāo)系作為世界坐標(biāo)系，船體坐標(biāo)系X軸指向船頭平行于海面，設(shè)沿其方向的前向速度為u，Y軸方向垂直于X軸向左，沿著Y軸方向的速度為v，Z軸垂直于水平面指向地心。另設(shè)r為船體坐標(biāo)系下的艏搖角速度，x,y,ψ分別為NED坐標(biāo)系下的X軸坐標(biāo)，Y軸坐標(biāo)和偏航角，示意圖如圖8所示。

圖8 NED坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系平面示意

設(shè)轉(zhuǎn)換矩陣：

則得到固定雙槳型無(wú)人船運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

考慮到無(wú)人船的動(dòng)力學(xué)和推進(jìn)運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的解耦，這里參考任帥[3]提出的固定雙槳無(wú)人船動(dòng)力學(xué)模型：

于是我們便得到了無(wú)人船前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和左右兩槳電機(jī)的電壓（或轉(zhuǎn)速）的關(guān)系。

3.2.2 WGS84坐標(biāo)系下計(jì)算兩點(diǎn)距離和方向角

采用Geographiclib包中的WGS84.Inverse函數(shù)來(lái)計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離和方向角輸入?yún)?shù)當(dāng)前位置點(diǎn)和目標(biāo)位置點(diǎn)參數(shù)（lat1，lon1，lat2，lon2），傳出（a12，s12，azi1，azi2），其中s12是兩點(diǎn)之間的距離，Azi1是當(dāng)前位置點(diǎn)1到目標(biāo)位置點(diǎn)2的這條向量與北0度方向上的線的夾角，即無(wú)人船的期望上的方向角。

■3.3 傳感器子程序

傳感器子程序主要包括傳感器的回收裝置的控制和傳感器采集、數(shù)據(jù)發(fā)送這兩個(gè)部分。為了實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓派能夠通過(guò)4G路由器與終端進(jìn)行UDP通信，我們采用了花生殼內(nèi)網(wǎng)穿透的方案，在樹(shù)莓派上安裝Phddns服務(wù)程序，完成花生殼的線上配置，用“Phddns Start”命令啟動(dòng)內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)。

3.3.1 傳感器回收裝置的控制

因?yàn)閭鞲衅鲀r(jià)格昂貴，為了保護(hù)傳感器在無(wú)人船航行中不被損壞，系統(tǒng)用串口控制42步進(jìn)電機(jī)以一定的速度正轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)傳感器的收放功能。樹(shù)莓派收到指令后通過(guò)串口向42步進(jìn)電機(jī)發(fā)出釋放傳感器的指令，發(fā)送與數(shù)據(jù)接收均為十六進(jìn)制，其數(shù)據(jù)指令幀如表2所示。

表2 42步進(jìn)電機(jī)串口直接位置控制指令幀格式

其中A的最高位表示方向，低7位表示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。B和C組成Uint16_t類(lèi)型的數(shù)據(jù)，表示要發(fā)送的脈沖數(shù)。這部分主要通過(guò)Serial庫(kù)實(shí)現(xiàn)與42步進(jìn)電機(jī)的串口通信。簡(jiǎn)化后的重要代碼如下所示：

3.3.2 傳感器采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送

程序引用Socket函數(shù)庫(kù)，在地面站發(fā)送端程序設(shè)置樹(shù)莓派4B的IP地址和端口號(hào)；樹(shù)莓派4B部署接收端程序持續(xù)對(duì)端口監(jiān)聽(tīng)，即可通過(guò)UDP協(xié)議在地面站向樹(shù)莓派4B發(fā)送開(kāi)啟傳感器指令。

釋放傳感器后，樹(shù)莓派4B再向傳感器發(fā)送采集指令，每次采集間隔兩秒，采樣10次。使用Binascii庫(kù)從返回的十六進(jìn)制數(shù)中提取出數(shù)據(jù)，再使用UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)返回到地面站并上傳到終端設(shè)備。傳感器采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送的邏輯如圖9所示。

圖9 采樣和UDP發(fā)送程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與南星湖水質(zhì)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，我們?cè)谀闲呛线M(jìn)行了船體實(shí)際巡航以及水質(zhì)檢測(cè)方面的測(cè)試，無(wú)人船部署測(cè)試場(chǎng)景如圖10所示，記錄的傳感器數(shù)據(jù)繪制成折線圖的形式如圖11所示。

圖10 無(wú)人船實(shí)物演示

圖11 南星湖水質(zhì)實(shí)測(cè)記錄

經(jīng)測(cè)試，無(wú)人船可以自主巡航到指定水域并進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，任務(wù)結(jié)束后自動(dòng)返航，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。從表中可以看出，南星湖的湖水呈堿性，這與南星湖周?chē)寥乐写嬖诖罅葵}堿物質(zhì)這一事實(shí)相符合，同時(shí)PH值與電導(dǎo)率也存在一定聯(lián)系，而靠近湖水岸邊航點(diǎn)的水質(zhì)濁度也明顯高于靠近湖面中央航點(diǎn)的水質(zhì)濁度。此外，湖水溶解氧偏低，且水體呈現(xiàn)綠色，初步推測(cè)是水中的微生物和水體藻類(lèi)的大量繁殖消耗了過(guò)多的溶解氧。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款能夠適應(yīng)于江、河、湖等廣泛水域的無(wú)人自主巡航水質(zhì)檢測(cè)船。該設(shè)備能夠?qū)λ蜻M(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，該系統(tǒng)可快速部署到指定水域位置，滿足突發(fā)水域的檢測(cè)需求，具有較高的靈活性。通過(guò)指定路線的地面站進(jìn)行路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無(wú)人船自主巡航功能。船上所搭載的相關(guān)水質(zhì)傳感器，可對(duì)所處水域進(jìn)行相關(guān)水質(zhì)參數(shù)的檢測(cè)，同時(shí)能夠通過(guò)無(wú)線通信模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，利于工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，提升工作效率以及達(dá)到節(jié)省人力物力資源的目的。