肖玲君，何 姝，熊穎郡，朱 曼，陳華龍

應(yīng)用研究

一種面向水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無(wú)人艇設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖玲君1,2，何 姝2，熊穎郡2，朱 曼3，陳華龍3

（1. 武漢市宇馳檢測(cè)技術(shù)有限公司，武漢 430205；2. 深圳市宇馳檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518055；3. 武漢理工大學(xué)，武漢 430079）

為提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的性能，設(shè)計(jì)了一種基于軟件定義的模塊化水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇。文章首先梳理了其作業(yè)流程，并對(duì)底層電子電氣架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。然后基于硬件虛擬化和微服務(wù)技術(shù)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)，并對(duì)軟件定義的中央控制器進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)船試驗(yàn)表明，相比于傳統(tǒng)船型，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的全船控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)載降低約50%，任務(wù)處理時(shí)延下降30%，各系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)軟件定義能力和功能拓展能力顯著增強(qiáng)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè) 水面無(wú)人艇 電子電氣架構(gòu)

0 引言

傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式主要是由監(jiān)測(cè)人員人工實(shí)地采樣，這種水質(zhì)監(jiān)測(cè)方式容易受到天氣、水面漂浮物影響，監(jiān)測(cè)范圍有限，且作業(yè)效率低，無(wú)法對(duì)水域進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，難以快速、準(zhǔn)確的對(duì)水域水質(zhì)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)[1]。近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人艇在水質(zhì)監(jiān)測(cè)行業(yè)中得到快速發(fā)展和應(yīng)用，為有效解決傳統(tǒng)人工水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在的問(wèn)題提供了新的方法和手段[2]。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇是一種能自主航行和智能作業(yè)的無(wú)人作業(yè)平臺(tái)，根據(jù)其作業(yè)需求，需具備自主航行、路徑規(guī)劃、水質(zhì)采樣與監(jiān)測(cè)等功能。目前已有部分學(xué)者對(duì)該無(wú)人系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，取得了較好的實(shí)用效果[3]。目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇大多采用在已有成熟的通用無(wú)人艇平臺(tái)上加裝相關(guān)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的目的，通常采用軟硬件一體化的設(shè)計(jì)方案，即定制的硬件系統(tǒng)搭配相應(yīng)的專用軟件，該方式可最大化設(shè)備的性能，布置簡(jiǎn)單，但是卻犧牲了設(shè)備的靈活性。同時(shí)，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇采用分布式的設(shè)備布置形式，隨著水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇智能化需求的提升，無(wú)人艇載的電氣化設(shè)備大幅增加[4]。軟硬件系統(tǒng)變得龐大、難以維護(hù)和擴(kuò)展、故障率升高[5]。綜上，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的軟硬件布置形式和設(shè)計(jì)方案導(dǎo)致各子模塊間信息交互效率較低，系統(tǒng)的可維護(hù)和功能拓展能力有限。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇，首先對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的電子電氣架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇子系統(tǒng)間高速信息交互需求，其次，分別對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的岸基子系統(tǒng)、艇載子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇實(shí)時(shí)控制和非實(shí)時(shí)控制功能的有效融合。最后，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)船試驗(yàn)對(duì)所提出的方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的總體設(shè)計(jì)

無(wú)人艇水質(zhì)監(jiān)測(cè)的作業(yè)流程如圖1所示，主要步驟分為航線規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行、返航回收等。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的作業(yè)流程

電子電氣架構(gòu)最早由汽車工業(yè)界提出，通過(guò)對(duì)功能、性能、成本等方面進(jìn)行分析，將動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等組件通過(guò)合理的物理布局和網(wǎng)絡(luò)連接以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的系統(tǒng)功能[7]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的電子電氣架構(gòu)將無(wú)人艇的路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、態(tài)勢(shì)感知、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、水質(zhì)采樣與在線檢測(cè)、供電系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)組件通過(guò)一定的方式連接，以更經(jīng)濟(jì)、靈活的方式實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇功能。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的電子電氣架構(gòu)采用集中式架構(gòu)，如圖2所示，中央控制器來(lái)對(duì)無(wú)人艇載所搭載的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，連接激光雷達(dá)、攝像頭、慣性測(cè)量單元、高精度定位器（Real-time Kinematic, RTK）等。水質(zhì)采樣和水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)核心交換機(jī)和中央控制器進(jìn)行通信連接，全船采用CAN總線連接中央控制器和外設(shè)設(shè)備。

圖2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)圖

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 岸基控制子系統(tǒng)

岸基控制系統(tǒng)主要有地面控制站、人工操縱遙控器、通信基站組成。地面控制站是無(wú)人艇操縱的主要設(shè)備，其主要功能有無(wú)人艇的航路規(guī)劃，無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制，無(wú)人艇狀態(tài)顯示等。

岸基子系統(tǒng)中的地面控制站系統(tǒng)軟件采用Qt進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，軟件采用多線程技術(shù)架構(gòu)模式，將軟件劃分為界面主線程、通信子線程、控制子線程和數(shù)據(jù)庫(kù)子線程等4個(gè)線程。各線程之間通過(guò)Qt信號(hào)和槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、同步和異步操作。采用Qt中的衛(wèi)星地圖數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)地圖的顯示、標(biāo)記和路徑規(guī)劃等功能[10]。

通信系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)電臺(tái)和4/5G雙通信模塊，型號(hào)為HT-M2022T-DE。采用多模通信的自適應(yīng)切換設(shè)計(jì)，可以根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)性質(zhì)和大小選擇傳輸方式，以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。功耗最高為20 W，傳輸距離為 5 km，防水等級(jí)為IP65。

為了應(yīng)對(duì)無(wú)人艇實(shí)際測(cè)量中可能出現(xiàn)的緊急狀況，在該無(wú)人艇的中央控制器中內(nèi)置了自主航行、地面站遠(yuǎn)程控制和遙控手動(dòng)控制3種模式，以便在出現(xiàn)突發(fā)狀況下可有遠(yuǎn)程控制器人工手動(dòng)對(duì)無(wú)人艇航向、航速、控制模式等進(jìn)行控制。

2.2 無(wú)人艇載子系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇作業(yè)信息流轉(zhuǎn)如圖3所示，無(wú)人艇載子系統(tǒng)的硬件主要包括中央控制器，由T506 NVIDIA Jetson Xavier 嵌入式開發(fā)板和一塊STM32F407備用控制板組成。中央控制器還連接攝像頭和雷達(dá)，用于對(duì)無(wú)人艇航行環(huán)境和障礙目標(biāo)信息進(jìn)行識(shí)別[11]，水質(zhì)采樣和檢測(cè)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)口連接中央控制器，由中央控制器依據(jù)任務(wù)進(jìn)行控制。

圖3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇作業(yè)信息流轉(zhuǎn)圖

備用控制板可在緊急情況時(shí)通過(guò)遙控器接收機(jī)接收遠(yuǎn)程遙控器的控制信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為PWM波傳輸給油門控制器和轉(zhuǎn)向壓力泵，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急遙控控制[12]。

采用中海達(dá)的SKY2型RTK系統(tǒng)作為無(wú)人艇的精確定位設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，可輸出厘米級(jí)定位精度的無(wú)人艇位置信息。采用HCM365B全姿態(tài)三維電子羅盤作為無(wú)人艇羅經(jīng)設(shè)備，采用YIS300-A型慣導(dǎo)設(shè)備，其集成三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)，能提供高精度的加速度、角速度和姿態(tài)角等信息。視覺(jué)傳感器采用?？低暽a(chǎn)的DS-2CD3T87FP2型球機(jī)，通過(guò)軟件開發(fā)工具對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，采用Robosense RS型16線程激光雷達(dá)作為輔助環(huán)境感知傳感器。

2.3 中央控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)

中央控制器作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的核心部件，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇預(yù)設(shè)功能的關(guān)鍵。中央控制器作為整個(gè)無(wú)人艇的處理和控制中樞，可以有效地增加設(shè)備間信息交互效率，減少通信布置成本。

2.3.1 中央控制器的軟、硬件解耦

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇功能需求的增加使得船舶軟件系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題愈發(fā)復(fù)雜，軟件系統(tǒng)變得龐大、難以維護(hù)和擴(kuò)展、故障率升高。參考面向功能的架構(gòu)，將系統(tǒng)所具備的能力抽象為具有調(diào)用接口和可重復(fù)調(diào)用的基礎(chǔ)服務(wù)，通過(guò)調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)來(lái)滿足系統(tǒng)的功能需求。通過(guò)合理的架構(gòu)組織和運(yùn)用分散在船舶系統(tǒng)不同部分的基礎(chǔ)服務(wù)，高效地利用船舶現(xiàn)有能力滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇功能需求。

通過(guò)將功能需求和硬件資源解耦，最小化服務(wù)功能組件之間的功能依賴性，提高了服務(wù)的可拓展性和重復(fù)利用率，如圖4所示，船載設(shè)備通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)互相聯(lián)通，抽象為任務(wù)需要的獨(dú)立的基礎(chǔ)服務(wù)組件，服務(wù)之間通過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)通信接口交互，這樣簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的描述，降低架構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

圖4 功能與設(shè)備解耦示意圖

本文利用基于Docker的資源虛擬化技術(shù)對(duì)無(wú)人艇的抽象應(yīng)用和服務(wù)進(jìn)行管理，利用無(wú)人艇水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)的可分解性和任務(wù)時(shí)序邏輯，通過(guò)軟件定義方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用解耦，根據(jù)服務(wù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的靈活分配。Docker將單個(gè)服務(wù)應(yīng)用的計(jì)算流程、數(shù)據(jù)依賴和應(yīng)用配置打包，最后將每個(gè)應(yīng)用放到一個(gè)隔離容器去運(yùn)行，避免互相干擾，也有利于上層應(yīng)用對(duì)底層基礎(chǔ)服務(wù)的調(diào)用。

2.3.2 中央控制器的軟硬件架構(gòu)

設(shè)計(jì)的中央控制器硬件架構(gòu)如圖5示，中央控制器的主要部件是由處理器和控制器組成，處理器和控制器之間通過(guò)SPI通信協(xié)議交換信息。攝像頭、雷達(dá)等設(shè)備信息輸入到處理器中，處理器對(duì)信息進(jìn)行處理后輸入至控制器，作為無(wú)人艇控制的基礎(chǔ)。

圖5 中央控制器硬件架構(gòu)

中央控制器的軟件架構(gòu)采用三層架構(gòu)如圖6示，包括底層系統(tǒng)軟件層、功能軟件層、應(yīng)用軟件層[13]。底層系統(tǒng)軟件層，包括虛擬機(jī)、系統(tǒng)內(nèi)核、中間件組件等。功能軟件層包括數(shù)據(jù)庫(kù)組件、中間件等，為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用軟件層包括運(yùn)動(dòng)控制算法、動(dòng)態(tài)避障算法，水質(zhì)采樣和檢測(cè)算發(fā)等，用于實(shí)際實(shí)現(xiàn)對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的控制和各種實(shí)際功能。

在系統(tǒng)軟件層，通過(guò)硬件虛擬化技術(shù)和容器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中央控制器的軟、硬件解耦，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的控制應(yīng)用提高標(biāo)準(zhǔn)化的軟件運(yùn)行環(huán)境和硬件隔離控制。通過(guò)容器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制應(yīng)用的封裝，可以更好的支撐各子系統(tǒng)的協(xié)同控制，完成更精確和復(fù)雜的智能控制功能。

系統(tǒng)軟件層將中央控制器虛擬化為若干虛擬模塊，包括CPU、內(nèi)存、硬盤和IO口，并將系統(tǒng)控制分為實(shí)時(shí)CPU和非實(shí)時(shí)CPU。實(shí)時(shí)CPU 虛擬化以計(jì)算核心為基本分配單元，將CPU的計(jì)算核心分配給某一實(shí)時(shí)虛擬機(jī)，實(shí)時(shí)虛擬機(jī)獨(dú)占這些計(jì)算核心。非實(shí)時(shí)CPU虛擬化可以將一個(gè)計(jì)算核心分配給多個(gè)虛擬機(jī)，多個(gè)虛擬機(jī)通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式分時(shí)使用計(jì)算核心。I/O虛擬化在I/O硬件之上虛擬出多個(gè)虛擬I/O接口，這些虛擬I/O 接口數(shù)據(jù)讀寫都通過(guò)一個(gè)消息隊(duì)列，I/O硬件將消息隊(duì)里將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到虛擬I/O。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇需要執(zhí)行的任務(wù)不同，系統(tǒng)軟件層可以合理調(diào)度硬件資源，來(lái)高效執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。如計(jì)算密集型任務(wù)的虛擬機(jī)需要分配更多的計(jì)算資源，對(duì)于存儲(chǔ)密集型任務(wù)，需要分配更多的存儲(chǔ)資源。不同的控制應(yīng)用在中央控制器中也不會(huì)發(fā)生運(yùn)行沖突，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)控制應(yīng)用，提高了任務(wù)執(zhí)行的靈活性和精確性。

在功能軟件層，通過(guò)部署容器到虛擬機(jī)中，實(shí)時(shí)控制應(yīng)用和非實(shí)時(shí)應(yīng)用可以通過(guò)在容器環(huán)境中運(yùn)行，來(lái)簡(jiǎn)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇工程化部署的難度。

圖6 軟件定義下的中央控制器架構(gòu)

通過(guò)將中央控制器的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)化和虛擬化，可以有效地減少控制器負(fù)載設(shè)備的接口協(xié)議個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，同時(shí)也簡(jiǎn)化了水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的大規(guī)模部署的難度。

2.3.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的一體化設(shè)計(jì)

無(wú)人艇在水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中需要重點(diǎn)解決數(shù)據(jù)高效采集、處理和利用的問(wèn)題。為此，本文在中央控制器軟件架構(gòu)中的功能軟件層設(shè)計(jì)了以基于微型數(shù)據(jù)中臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理、計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，如圖7所示。

圖7 一體化的數(shù)據(jù)管理架構(gòu)

通過(guò)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，可以將全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集和處理，通過(guò)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，同時(shí)具備實(shí)時(shí)和離線的數(shù)據(jù)采集能力，另外，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)可以對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。為了更好的服務(wù)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)，航行狀態(tài)數(shù)據(jù)與水質(zhì)采樣檢測(cè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配，通過(guò)部署在中央控制器的離線分析算法、準(zhǔn)實(shí)時(shí)分析算法、實(shí)時(shí)分析算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和分析，增強(qiáng)無(wú)人艇的水質(zhì)監(jiān)測(cè)和航行狀態(tài)匹配能力。通過(guò)數(shù)據(jù)通信協(xié)議和消息中間件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)到處和數(shù)據(jù)交換的功能。上層微服務(wù)和外部API可以調(diào)用基礎(chǔ)算法引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行個(gè)性化處理，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

3 系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)船試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

在湖北武漢東湖對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船測(cè)試。試驗(yàn)水域相對(duì)風(fēng)速為1.2～2.0 m/s。通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試，水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇機(jī)械部分和電動(dòng)系統(tǒng)保持穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)得在設(shè)備載荷為40 kg 時(shí)，平均航速約為2 m/s，最高航速為5 m/s，電池組續(xù)航為328 min，最遠(yuǎn)通信距離為4.8 km。

同時(shí)，為了驗(yàn)證中央控制器對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)效率，使用Omnet軟件搭建無(wú)人艇的網(wǎng)絡(luò)仿真模型[15]，如圖8所示，根據(jù)中央控制器連接的設(shè)備數(shù)量預(yù)估報(bào)文數(shù)量，測(cè)試中央控制器的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。

圖8 中央控制器下的網(wǎng)絡(luò)仿真示意圖

對(duì)比中央控制器架構(gòu)和傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)可以看出，在相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量下，分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)分支要比中央控制器的網(wǎng)絡(luò)分支多，分布式架構(gòu)的平均網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率要明顯高于傳統(tǒng)分布式架構(gòu)；而對(duì)于等效帶寬，中央控制器架構(gòu)要明顯高于等效帶寬。

另外，對(duì)所提出的中央控制器的性能進(jìn)行分析，分別運(yùn)行10、20、30、40和50個(gè)任務(wù)，觀察完成任務(wù)時(shí)控制器所需的調(diào)度時(shí)延。結(jié)果如圖9所示，基于軟件定義架構(gòu)設(shè)計(jì)的控制器可以有效減少調(diào)度時(shí)延

圖9 不同控制器調(diào)度時(shí)延對(duì)比

3.2 實(shí)船試驗(yàn)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的目標(biāo)識(shí)別能力、路徑跟蹤和運(yùn)動(dòng)控制是水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇開展水質(zhì)采樣、檢測(cè)工作的基礎(chǔ)。為進(jìn)一步驗(yàn)證水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的實(shí)用性，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的實(shí)際效能進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)。

在測(cè)試時(shí)，在地面站軟件上設(shè)置需要檢測(cè)的水域范圍，地面站軟件可根據(jù)設(shè)定的水域范圍自動(dòng)生成無(wú)人艇航線。無(wú)人艇的實(shí)際航跡如圖11所示，可以看出，水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的實(shí)際航跡和預(yù)設(shè)路徑的誤差較小，可較好的實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇的自主航行。

圖10 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇實(shí)船

圖11 水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇實(shí)際航跡

4 結(jié)論

本文提出了一種軟件定義水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇的架構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇系統(tǒng)各組成部分的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇系統(tǒng)的可行性。與傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇由獨(dú)立的無(wú)人艇系統(tǒng)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成不同，軟件定義水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇采用航行功能和水質(zhì)采樣和監(jiān)測(cè)一體化設(shè)計(jì)，采用中央控制器連接艇載的控制器、傳感器、水質(zhì)采樣和監(jiān)測(cè)器，能夠提高無(wú)人艇數(shù)據(jù)交換能力，同時(shí)布線簡(jiǎn)潔，便于無(wú)人艇系統(tǒng)功能的拓展和系統(tǒng)維護(hù)。實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)無(wú)人艇架構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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Design and implementation of the unmanned surface vehicle for water quality monitoring

Xiao lingjun1,2, He Shu2, Xiong Yingjun2, Zhu Man3, Chen Hualong3

(1. Wuhan Yuchi Testing Technology Co, Wuhan 430205, China; 2. Shenzhen Yuchi Testing Technology Co., Shenzhen 518055, China; 3.Intelligent Transportation Systems Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070, China.)

TP242.3

A

1003-4862（2023）09-0001-06

2023-02-27

湖北省科學(xué)技術(shù)廳2021年湖北省揭榜制科技項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2021BEC003)

肖玲君（1986-），女, 碩士, 工程師, 研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。E-mail：xiaolingjun@yctesting.com

陳華龍（1992-），男，博士，研究方向：無(wú)人艇設(shè)計(jì)。E-mail：hualongchen@whut.edu.cn。