河湖水生態(tài)信息監(jiān)測智能無人船的應(yīng)用研究

邢方亮,王天奕,王 磊,陳 俊,郭澤斌

(珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

1 概述

河湖監(jiān)管問題多、處理難、任務(wù)重，靠人工巡查、定期采樣檢測等方式，監(jiān)管難度大、效率低，難以及時高效發(fā)現(xiàn)和排查問題。河湖監(jiān)管現(xiàn)有的人工或監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)成本高、監(jiān)測范圍有限、覆蓋面不全等問題，與國外歐美發(fā)達(dá)國家相比仍有明顯的差距。水利部多次提出提高河湖水生態(tài)管理智能化水平[1]，科學(xué)布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，利用無人船等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)管，能及時掌握河湖水域變化情況，對河湖管理具有重要意義[2]。

研究推廣基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的河湖水生態(tài)信息監(jiān)測智能無人船，可以實(shí)時動態(tài)采集水質(zhì)、流速流量、水深、污染源分布等信息[3]，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)源到面源的數(shù)據(jù)監(jiān)測，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有監(jiān)測手段“覆蓋面不全，建設(shè)成本巨大”等不足之處[4]，推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)督查執(zhí)法，為各地污染防治、打響環(huán)境保護(hù)攻堅(jiān)戰(zhàn)和河湖長制提供科學(xué)有效的技術(shù)支撐，對深入落實(shí)新時期十六字的治水方針，對“補(bǔ)短板、強(qiáng)監(jiān)管”總基調(diào)的縱向發(fā)展起到推動作用，加速水利治理體系和能力向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變，對建設(shè)人民的幸福河湖也具有深遠(yuǎn)意義。

2 智能無人船系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能

智能無人船能夠適用于湖泊、城市河道水域，靈活性高，檢測要素多且精度高，并能夠?qū)崿F(xiàn)自主巡航避障和遠(yuǎn)程監(jiān)控的水生態(tài)監(jiān)測無人船[5]。根據(jù)以上需求，提出如下設(shè)計(jì)要求及功能。

1) 船體設(shè)計(jì)

采用小型模塊化船體，適用于湖泊、河道狹窄水道航行，具有吃水淺、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)勢，提高在狹窄水道與淺水溝渠的適航能力[6]。

2) 續(xù)航能力

主要采用鋰電池蓄電，同時使用薄膜太陽能發(fā)電裝置，為無人船與船載設(shè)備提供所需能源和動力，以上系統(tǒng)可保證無人船至少5 h的續(xù)航能力。

3) 自主航行控制功能

不受時間和氣候影響，在水面進(jìn)行不間斷的智能作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航技術(shù)與航跡規(guī)劃相結(jié)合，既可在無人工設(shè)定的情況下自主設(shè)置采樣路線及自動導(dǎo)航，也可遙控?zé)o人船和根據(jù)預(yù)設(shè)的航跡規(guī)劃執(zhí)行航行測量。

4) 監(jiān)測及取樣功能

無人船平臺預(yù)留大量監(jiān)控接口，方便搭載和集成采樣系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀、水文傳感器等設(shè)備，可根據(jù)監(jiān)測要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，水溫誤差≤0.5℃，溶解氧誤差≤0.1 mg/L，電導(dǎo)率誤差≤10 us/cm，氨氮誤差≤0.05 mg/L，濁度誤差≤0.5 NTU，酸堿度誤差≤0.1 pH進(jìn)行多樣化采集。具有水體取樣功能，可以將水樣儲存帶回分析處理。

5) 智能監(jiān)控軟件

基于云計(jì)算平臺的服務(wù)器，提供界面友好的控制軟件[7]，讓用戶操作無人船前往目標(biāo)水域開展相關(guān)水質(zhì)采樣更加方便快捷，同時能夠把數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示并保存，讓用戶在后續(xù)工作中查看分析數(shù)據(jù)更加直觀便捷，為河湖管理、決策分析提供全方位智能化辦公手段。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由移動監(jiān)控平臺(無人船)、手動控制終端和監(jiān)控中心3個部分組成，融合了機(jī)械、電子、通信、網(wǎng)絡(luò)和軟件等多方面專業(yè)技術(shù)內(nèi)容[8]，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框示意

移動監(jiān)控平臺以船體為載體，具有與體積小、成本低、改造性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通過機(jī)械加工和固定，將研發(fā)的中央控制板安裝在船體上面，其中主要由中央處理芯片、電源模塊、各個功能模塊組成。移動監(jiān)控平臺的模塊組成如圖2所示。

圖2 移動監(jiān)控平臺組成示意

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 船體

智能無人船采用小水線面雙體船，有效的減小航行阻力，提高航行速度和抗浪性，增強(qiáng)航行穩(wěn)定性和負(fù)載能力。船體可快速拆裝，方便運(yùn)輸，四周安裝有防撞條，且浮體內(nèi)充滿發(fā)泡材料，有效提高船體的抗撞性和抗沉性(如圖3所示)。

圖3 船體設(shè)計(jì)示意

3.2 中央控制板

中央控制板是整個無人測控船的大腦，需要中央處理芯片與各功能模塊進(jìn)行實(shí)時交互，以滿足對實(shí)時數(shù)據(jù)的處理、足夠的抗干擾能力。因此,本設(shè)計(jì)選用基于ARM內(nèi)核的16/32位微處理器STM32F103作為無人船的中央處理芯片。該芯片運(yùn)行速率高達(dá)72 MHz，滿足了中央控制板高速處理數(shù)據(jù)的要求；多達(dá)5個USART接口、21路AD接口、3個SPI接口以及其他通信接口滿足了多種傳感器接入的需求；片內(nèi)集成的Flash和SRAM，滿足了嵌入式系統(tǒng)移植的需要，同時帶有豐富的存儲器外擴(kuò)接口，方便存儲器的外擴(kuò)；嵌套式中斷向量控制器(NVIC)，支持多達(dá)60個向量中斷，滿足了中央控制板對控制信號實(shí)時響應(yīng)的要求；112個通用I/O管腳，帶可編程的上拉/下拉電阻，滿足了與多種傳感器接口連接的需要；11個通用定時器/計(jì)數(shù)器，帶8路捕獲輸入和10路比較輸出。滿足了推進(jìn)器、舵機(jī)等部件的控制需要。

3.3 電源管理模塊

電源管理模塊設(shè)計(jì)保障整個無人船電源的供應(yīng)和控制。電源選用2塊12 V 10 AH的鋰電池供電，可提供瞬時60 A的電流，每塊電池的重量僅0.8 kg，目前可實(shí)現(xiàn)5 h的續(xù)航。為滿足不同傳感器工作電壓的需求，電源管理模塊將電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3 V、5.0 V、9.0 V和24 V，為減少功耗，設(shè)置了多個電子開關(guān)，關(guān)閉暫時不用的傳感器電源。

3.4 運(yùn)動控制模塊

無人船的水下推進(jìn)裝置是整個系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)，其部件選擇的好壞，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)研制的成敗。采用舵機(jī)+連桿+軸承的轉(zhuǎn)向裝置(如圖4所示)。推力大小可調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制電調(diào)調(diào)整電壓輸出以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)推力的大小和方向[9]。

圖4 運(yùn)動控制模塊剖面示意

3.5 水質(zhì)監(jiān)測模塊

設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，實(shí)現(xiàn)控制各個傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理。由于使用的溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器、電導(dǎo)率傳感器和濁度傳感器等儀器均使用RS232協(xié)議通信，構(gòu)成了一個RS232通信協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)。

3.6 圖像采集模塊

該模塊主要由網(wǎng)域4K高清攝像頭和5G模塊等組成。該模塊服務(wù)于無人船所在水域環(huán)境的監(jiān)測工作，能夠?qū)崟r識別障礙物，同時配合主控裝置共同工作，從而實(shí)現(xiàn)自動避障功能。捕獲的水域面上圖像可通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C端，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)視控制中心對水域環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.7 超聲波測距模塊

設(shè)計(jì)測量距離可達(dá)10 m，采用的超聲波探測夾角只有15°，與大多數(shù)的超聲波是60°不同，可以提高超聲波測量角度分辨率，是無人船等應(yīng)用領(lǐng)域避障導(dǎo)航方案的首選。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 中央控制板

中央控制板的軟件包括以下幾個部分：實(shí)時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)uCOS-Ⅱ的移植、外圍接口驅(qū)動成序的開發(fā)以及無人船運(yùn)動控制程序的開發(fā)。無人船運(yùn)動控制程序又分成兩部分：控制任務(wù)和通信任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 中央控制板軟件結(jié)構(gòu)

1) 控制任務(wù)

主要功能包括：外圍傳感器信息的獲取、無人船狀態(tài)檢測及報(bào)警、無人船運(yùn)行控制算法的運(yùn)算、推進(jìn)系統(tǒng)的控制、水下地形的測量、數(shù)據(jù)的處理和存儲。

對于無人船這樣的非線性、時變系統(tǒng)，采用的控制方法主要是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制等。本設(shè)計(jì)采用簡單實(shí)用的S面控制算法， 此方法將模糊控制的思想與PID的簡單控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合。

2) 通信任務(wù)

通信任務(wù)負(fù)責(zé)無人船通過無線通信模塊與手動控制終端或監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令的交互，主要完成以下功能：無線通信的初始化和通信鏈路維護(hù)、數(shù)據(jù)的接收和處理、公用數(shù)據(jù)區(qū)要發(fā)送數(shù)據(jù)的處理與發(fā)送。

4.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件

為了更好的控制無人船對水樣進(jìn)行采集，設(shè)計(jì)了一個能實(shí)時操作、穩(wěn)定性好、交互界面友好的無人船操作軟件。該軟件采用C#語言編寫，在VS2019環(huán)境下編譯完成。此環(huán)境集成了大量實(shí)用的類庫，高效地實(shí)現(xiàn)了無人船數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取和顯示(如圖6所示)。

5 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

1) 基于高精度定位的無人船自動避障智能導(dǎo)航技術(shù)

啟用智能導(dǎo)航技術(shù)與航跡規(guī)劃相結(jié)合，既可在無人工設(shè)定的情況下自主設(shè)置采樣路線及自動導(dǎo)航，也可遙控?zé)o人船和根據(jù)預(yù)設(shè)的航跡規(guī)劃執(zhí)行航行測量，替代人力作業(yè)，提高效率與精度。船體定位與姿態(tài)測量采用差分GPS[10]、三維電子羅盤、AHRS姿態(tài)傳感器相融合算法，不依賴于國家固定基站，定位精度小于0.02 m，當(dāng)船體在小范圍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，通過三維電子羅盤仍可精確定位船體及航向[11]。船體采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有自動漏水檢測、超聲波自動避障等功能，在復(fù)雜水面可以暢通無阻，尤其是在浪比較大情況下，保持相對更穩(wěn)定的航行，能獲得高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)。

圖6 軟件界面示意

2) 水生態(tài)信息多要素實(shí)時在線監(jiān)測技術(shù)

無人船采集水體的圖像信息，基于圖像識別算法使無人船具備識別分析水體顏色及水體漂浮物密度等信息，可記錄及拍攝水質(zhì)采樣監(jiān)測的時間、地點(diǎn)，對采樣和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理，并且為運(yùn)動避障和污染源取證提供智能輔助及判斷。無人船平臺可以搭載和集成采樣系統(tǒng)、多參數(shù)水質(zhì)在線分析儀、水文傳感器和水生生物全息顯微觀測系統(tǒng)在無人船平臺上使用，實(shí)現(xiàn)水樣采集、水質(zhì)等水生態(tài)信息的實(shí)時監(jiān)測，同時實(shí)時測量船體的俯仰角和橫滾角，并能輸出波高數(shù)據(jù)，進(jìn)而有效修正監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高測量精度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)智能的水生態(tài)多要素實(shí)時監(jiān)測。

3) 實(shí)時獲取被監(jiān)測數(shù)據(jù)

借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)對水質(zhì)、水文等進(jìn)行分析，通過圖形化組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化和預(yù)警預(yù)報(bào)。

6 結(jié)語

無人船技術(shù)助力河湖監(jiān)管與保護(hù)，搭載多種功能的采集與分析儀器設(shè)備[12]，具備自主規(guī)劃、自動導(dǎo)航、環(huán)境感知、智能避障、遠(yuǎn)距離通信、模式識別、視頻實(shí)時傳輸和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能，實(shí)時傳輸水文水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)至云服務(wù)器，為水污染防治及河湖強(qiáng)監(jiān)管提供有力的數(shù)據(jù)支撐，是河湖水生態(tài)科學(xué)管控、智慧管理、高效運(yùn)行的技術(shù)支撐和保障手段。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，不斷地改進(jìn)智能無人船技術(shù)和質(zhì)量，進(jìn)一步加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)功能，擴(kuò)展更多更復(fù)雜的傳感器進(jìn)行更加細(xì)致的河湖水生態(tài)信息監(jiān)測，為河湖強(qiáng)監(jiān)管發(fā)揮越來越大的作用。