面向地表水水質監(jiān)測的無人船系統設計與實現＊

吳述園，朱紅生，費曉昕，馬志堅，唐 萌

(1.中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 243005；2.南京理工大學自動化學院)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進程的加速，水環(huán)境的保護面臨著嚴峻的壓力。水質監(jiān)測是保護水環(huán)境的重要舉措，通過檢測水體中所含污染物的種類、含量及其變化趨勢，對水體質量狀況進行評價，進而為水環(huán)境的治理提供數據基礎。

目前常用的水質監(jiān)測方法主要有人工取水、浮標監(jiān)測和建立監(jiān)測站三種。人工取水主要是使用船只搭載監(jiān)測人員與監(jiān)測設備，前往監(jiān)測點采集水樣并送往實驗室進行檢測。人工取水精度高、指標全，但只適用于開闊水域，采樣密度和效率均較低，數據需人工記錄，且無法把水質數據與地理位置數據準確關聯。浮標監(jiān)測是利用傳感器和物聯網技術采集并發(fā)送數據，能夠實現固定點水質的全天候監(jiān)測。該方法也僅能監(jiān)測特定點的數據，靈活性欠佳。監(jiān)測站在數據測量的精度、廣度等方面更勝一籌，但在造價、維護成本及對人工需求度等均較高。而智能化技術的迅猛發(fā)展為水質監(jiān)測提供了新的解決途徑。

針對上述方法存在的局限性，本文設計并實現了一套基于智能無人船的水質監(jiān)測系統，分為無人船子系統、通信子系統和岸基子系統三部分。無人船子系統包括船體選型設計、動力部分元器件選型和設計等；通訊子系統基于4G模塊搭建通訊網絡，作為無人船和岸基子系統通訊的橋梁；岸基子系統負責對無人船做路徑規(guī)劃。實驗表明，該系統操控性好、數據采集靈活度高、數據管理方便，滿足水質監(jiān)測需求。

1 系統整體設計方案

本方案以Pixhawk4 作為控制板，并對船體結構和相關元器件進行設計和選型，實現了一款可以自動巡航或遙控巡航方式航行的無人船，能夠搭載多種水質傳感器采集目標水域水質數據，并基于4G技術搭建通信子系統，為無人船和岸基子系統之間提供控制信號和數據的傳輸。岸基子系統由地面站軟件Mission Planner 軟件和數據管理軟件構成，前者實現了對檢測點路線的規(guī)劃，后者則對數據進行存儲、顯示、檢索等管理操作。系統整體結構圖及系統硬件結構圖如圖1和圖2所示。

圖1 系統整體結構圖

圖2 系統硬件結構圖

2 無人船船體子系統的構建

2.1 船體設計指標

針對實際水質監(jiān)測需求，需要考慮以下因素：

⑴作為水質檢測傳感器的載體，內部應當預留足夠的空間以便用來放置各種傳感器和元器件；

⑵船體材質應當滿足在小型碰撞下不變形，長時間在水中行駛不滲水且船體重量應盡可能輕便的特點；

⑶易于操控且便于后期擴展。

結合以上因素，對無人船設計提出了以下指標及要求，如表1所示。

表1 船體與動力模塊設計指標要求

2.2 無人船船體選型

根據上述要求，首先對船體及其材料進行選型。目前市面上主流的船體形狀分為單體式和雙體式，單體式船船體構造簡單，技術成熟，密封性好，但內部空間小，不能放置過多的元器件；雙體式由兩個的船體通過連接倉連結而成，結構相對復雜，但其內部空間大，能夠裝載更多設備，且穩(wěn)定性和操控性更好。

綜合分析，本設計選用結構相對簡單的單體式船體，材質選用聚乙烯材質，便于后續(xù)對船體進行改裝以便增添器件，船體如圖3所示。

圖3 無人船船體圖

2.3 無人船的主控板及動力單元

主控板作為接受和發(fā)送航行指令、控制無人船航行的核心，在整個無人船系統中扮演者十分重要的角色。本設計采用Pixhawk4 控制板，因其擁有32 位STM32F765FPU 處理器芯片、非常豐富的硬件接口，如圖4所示。

圖4 Pixhawk4主控板的接口

為了滿足無人船在復雜水域作業(yè)的要求，本課題對無人船的動力系統進行了設計。關于推進方式的選擇，比較了差速驅動和涵道式驅動兩種單體式無人船主流的推進方式，考慮到船體前進、后退和轉向等操控的靈活性，結構的復雜度與經濟性等因素，最終采用螺旋槳差速驅動的方式。

此外，因無人船作為移動平臺，需為業(yè)務預留4公斤載重裕度，通過前期對船體進行數學建模分析，綜合載重推算出需要的推力，從而確定電機和電調參數。本設計選用的兩個直流無刷電機，實際巡航速度下功率為80W～120W，峰值電流為時52A，通過Pixhawk4控制板輸出的PWM 信號進行控制。根據上述直流無刷電機的型號，選取合適的電子調速器，所選的電調輸出峰值電流為70A～80A，電調電壓范圍為7.4V～24V。此外，根據系統器件的總功率和航行時間計算電池容量，本設計采用單個容量為5300mAh 的鋰電池組，額定電壓為22.2V，所選取的元器件如圖5所示。

圖5 動力單元元器件

3 通訊子系統設計

通信子系統負責將操控無人船的地面站子系統中的控制信息發(fā)送給無人船，并將無人船上采集的水質信息發(fā)送至地面站。無人船在目標水域航行，檢測環(huán)境可能會存在信號差、電磁干擾等不利條件，所以選用合適的通訊方式極為重要。綜合考慮后，本設計采用華為4G模塊作為信號的收發(fā)器。

在傳輸數據過程中，為了實現對通訊數據大批量、快速處理和傳輸，僅僅依靠傳統的TCP/IP 的協議不能滿足課題需要，本課題引入MAVLINK通訊協議，對數據進行處理、加密，經由4G 模塊在局域網內經行轉發(fā)，對端接收后對加密信息進行解密和處理，從而獲得所需要的信息。MAVLINK消息幀格式如圖6所示。

圖6 消息格式

由數據的傳輸方式可知，無人船和地面站需要在同一個局域網內進行數據的雙向傳輸，因此構建安全穩(wěn)定的局域網是保證數據通訊可靠傳輸的前提。利用FRP 反向代理技術，將私網IP 替換成公網IP，利用組網技術，通過租借阿里云的服務器，將無人船和Mission Planner 地面站組建到一個局域網內，保證二者之間可靠通訊。

4 地面站子系統

地面站子系統運行于上位機端的軟件，其功能包括：顯示無人船子系統的狀態(tài)信息、控制無人船子系統的運行、調試設置無人船子系統，以及規(guī)劃航線等。本設計選用開源的地面站Mission Planner，并在其基礎上進行二次開發(fā)。

地面站子系統分為控制主窗口、航線規(guī)劃主窗口和調試設置主窗口三部分，具體功能如下：

⑴控制主窗口如圖7所示，用于實時動態(tài)顯示無人船子系統運行信息，由運行狀態(tài)子窗口、運行位姿子窗口，以及通信連接子窗口等組成。運行信息主要由無人船子系統的位姿信息和狀態(tài)信息，以及攝像頭拍攝的視頻信息組成。運行狀態(tài)子窗口用于顯示無人船子系統運行信息和攝像頭拍攝的視頻信息。運行位姿子窗口將無人船子系統運行軌跡匹配地圖顯示。通信連接子窗口用于連接無人船子系統。

圖7 控制主窗口

⑵航線規(guī)劃主窗口如圖8所示，主要用于規(guī)劃航線，以及將航線發(fā)送至無人船子系統。其主要由航線規(guī)劃地圖子窗口與航點信息子窗口組成。其中航線規(guī)劃地圖子窗口可以直接使用上面的地圖點擊設置航點，進行航線規(guī)劃，完成后將航線信息保存為JSON格式，并發(fā)送給無人船子系統。航點信息子窗口用于顯示航點信息，以及可以設置無人船子系統運行到航點時的模式。

圖8 航線規(guī)劃主窗口

⑶調試設置主窗口如圖9所示，主要由調試子窗口與設置子窗口組成。調試子窗口用于無人船子系統運行調試，其中提供了速度、轉向、航跡等多種調試模式。設置子窗口用于設置無人船子系統各項參數。

圖9 調試設置主界面

5 系統的安裝及測試

5.1 無人船安裝及測試

安裝過程中首先要保證船體內部布局合理，并為水質檢測設備預留空位，并確保船體密封良好，元器件焊接牢固。首次試航采用DS18B20 溫度傳感器作為測試數據采集與傳輸的工具，無人船安裝示意圖如圖10所示。

圖10 無人船安裝示意圖

為了測試所設計的無人船在實際環(huán)境下的航行效果，本實驗選定人工湖進行了航行試航。

實驗結果表明，船體航行穩(wěn)定，速度適中，滿足設計要求，試航過程如圖11所示。

圖11 無人船航行試驗

5.2 地面站子系統及其測試

地面站是運行于上位機的軟件，用于對無人船進行遠程操控，設置巡航路線，通過通信子系統與無人船進行數據和控制命令的交換。本課題采用開源的Mission Planner 地面站，實現了無人船自主航行模式下的航行路線規(guī)劃。

此外，通過主控板外接攝像頭，可將獲取的環(huán)境圖像通過通信子系統發(fā)回地面站，進行顯示，進而可實現基于圖像處理的自動避障，或由操縱者切換成手動模式進行控制，以保證無人船的航行安全。地面站測試如圖12 所示，其中可見無人船運行圖像、相關參數及攝像頭回傳的視頻等信息。

圖12 地面站測試

6 結束語

本文研究了無人船的現狀，針對傳統湖泊、河流開展檢測工作受環(huán)境條件影響過大的難題，設計制作了一款可搭載多臺檢測設備的無人船。實驗包含了船體的設計，控制板的選型以及元器件的安裝焊接，最后完成了船體實地調試。實驗結果良好，船體航行穩(wěn)定，實現了既定目標，為復雜河流、湖泊勘探及水質分析提供了一種新的解決方案。后續(xù)期待更換較大的船體以攜帶更多的設備對水體進行更全面的監(jiān)測。