無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船

（中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船

林群馥 傅隆亮 陳曉斌 曹 陽 林 建

（中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

本文針對目前國內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測人員緊缺，監(jiān)測數(shù)據(jù)難以保證準(zhǔn)確性和實(shí)效性等問題，介紹了一種以太陽能作為動力的無人駕駛水域環(huán)境監(jiān)測船，通過GPS、電子羅盤進(jìn)行定位及導(dǎo)航，GPRS與遠(yuǎn)程基站無線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)船舶的遠(yuǎn)程控制及無線通訊，并將監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)和船舶周邊影像傳回到基站或手機(jī)上。該監(jiān)測船可替代人完成偏遠(yuǎn)或惡劣環(huán)境下的全天候水域環(huán)境監(jiān)測，具有較好的應(yīng)用前景。

環(huán)境監(jiān)測；GPS導(dǎo)航；GPRS通信；太陽能

1 船體控制系統(tǒng)

船體在航行中受到風(fēng)，浪等影響，不能完全按照直線航行。所以通過電子羅盤，完成船與地磁北極夾角的測量并處理，保持船體的航向，同時通過GPS模塊得到的經(jīng)緯度坐標(biāo)，確保船體在預(yù)期軌道上。

船體航向穩(wěn)定性和機(jī)動性往往是矛盾的。利用船體航向控制裝置就能較好的解決這個問題，也就是自動操舵儀。電子羅盤測量船體的航向與預(yù)期航向的偏差信號，送入自動舵系統(tǒng)，計算出所需的舵角指令信號，并控制舵機(jī)轉(zhuǎn)舵，船體開始改變航向，當(dāng)船體的航向與預(yù)期航向一致時，航向誤差為零，于是自動舵輸出零舵角信號，舵機(jī)讓舵回到零位，使船在預(yù)期航向前行。

自動舵可以把船的航向精確控制于設(shè)定航向。但是，當(dāng)船體收到橫向干擾力會使船產(chǎn)生了橫向平移，且自動舵無法糾正船體橫向平移。此時我們加入GPS模塊對船體進(jìn)行控制，既形成了航跡舵控制系統(tǒng)。通過GPS模塊得到船體當(dāng)前的經(jīng)緯度，和預(yù)定軌跡比較，得到船與預(yù)定軌跡的距離，再利用模糊PID算法，從而重新控制船體運(yùn)動方向，實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤。船與預(yù)定軌跡距離d的計算公式如下：

d=（y-b）*cos（angle）-（x-a）*sin（angle）（1）

式中，x、y為預(yù)定軌跡上的一點(diǎn)的經(jīng)緯度，angle為預(yù)定軌跡與正東方向的夾角，順時針方向?yàn)檎琣、b代表當(dāng)前船體的經(jīng)緯度，d為正代表船體在航跡的左邊。

以上對船的這一系列控制算法，保證了船的正確行駛。

2 能源供給系統(tǒng)

無人駕駛水域環(huán)境智能監(jiān)測船是戶外運(yùn)行，具備使用太陽能的條件和潛力。太陽能是一種清潔能源，不對環(huán)境產(chǎn)生任何危害；太陽光照射在地球上普遍存在，使用成本低，船體不需反復(fù)進(jìn)基站補(bǔ)給，可滿足船的長時間工作。

為了是使充電結(jié)構(gòu)簡單有效，我們使用42V/300W的太陽能板進(jìn)行充電，采用BUCK拓?fù)洹？紤]到對負(fù)載的電壓電流檢測信號需要與負(fù)載共地，我們將開關(guān)管置于太陽能板正端。為避免電能浪費(fèi)在開關(guān)管上造成能源浪費(fèi)和發(fā)熱，在開關(guān)管開通時必須完全導(dǎo)通，開關(guān)管驅(qū)動電壓就必須大于太陽能板正端電壓，因此必須添加一個電源。又因普通MOS管耐壓為20V，所以我們設(shè)計了推挽變換器產(chǎn)生一個以MOS管源極為零電位的20V隔離電源為驅(qū)動電路供電。而以地為零電位的主控芯片則通過光耦對開關(guān)管占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。因主控芯片和負(fù)載共地，所以負(fù)載的電壓和電流就很容易分別通過分壓和放大電路傳遞給主控芯片。

3 水質(zhì)檢測系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是該船的核心，由水質(zhì)傳感器、單片機(jī)等組成。采用水泵對水體進(jìn)行抽樣，再利用各水質(zhì)傳感器實(shí)現(xiàn)對各種水環(huán)境參數(shù)的檢測，通過適當(dāng)信號處理單元經(jīng)STM32單片機(jī)分析處理后上傳主機(jī)，并在LCD上顯示。

水質(zhì)監(jiān)測傳感器部分擔(dān)負(fù)起正確檢測各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的任務(wù)，為了保證檢測的準(zhǔn)確性，采用了含信號處理電路的成品模塊。水溫、pH值檢測采用龍戈電子pH傳感器，模塊上除pH傳感器外還集成了水溫傳感器，適合我們計算pH值時考慮自動溫度補(bǔ)償。該成品提供水溫檢測范圍0至100℃，pH值檢測范圍0～14。

單片機(jī)采用嵌入式單片機(jī)STM32，內(nèi)置多路12位AD。該控制器主要完成對各參數(shù)信號的電信號采集、濾波、計算分析、LCD顯示、環(huán)境參數(shù)上傳主機(jī)等任務(wù)。

4 無線通訊系統(tǒng)

無線通信發(fā)送采用SIM900模塊通過短信實(shí)現(xiàn)。短信性能穩(wěn)定、使用方便且受其他影響小。在代碼中可設(shè)置了白名單號碼，只有白名單發(fā)送來的信息才會得到解碼處理，可有效防止垃圾短信。白名單發(fā)送信息進(jìn)行解碼，根據(jù)不同命令可將GPS定位坐標(biāo)以及測得的水質(zhì)參數(shù)等數(shù)據(jù)發(fā)送還上位機(jī)進(jìn)行解碼處理。

所有數(shù)據(jù)均通過短信傳輸，短信收發(fā)應(yīng)用了較適合數(shù)據(jù)傳輸?shù)腜DUMode。所有消息都可以在接收區(qū)中清晰地看到，可一鍵查看船體所在位置當(dāng)前水質(zhì)狀況功能，通過該功能可以方便地查看水質(zhì)情況，同時顯示采集時間，軟件在顯示時將所有數(shù)據(jù)保存在文件中，方便日后查詢。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也采用SIM900模塊通過彩信實(shí)現(xiàn)，根據(jù)上位機(jī)或者白名單手機(jī)號碼的命令通過彩信將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)還給上位機(jī)，通過彩信方式傳回上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)解碼后予以顯示，可遠(yuǎn)距離查看船周邊情況。

任何有移動網(wǎng)絡(luò)的地方，都可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制船的航行控制和圖像采集。同時增添一鍵查看當(dāng)前位置功能，并能在地圖上顯示，且在地圖上便能夠方便地指定船體的前進(jìn)路線以及目的地。

上位機(jī)采用電腦控制，電腦控制端采用了我們較為熟悉也比較常用同時也是兼容較高的軟件Microsoft Visual C++6.0編寫，我們創(chuàng)建的是單文檔程序，由于無線通信用到的是SIM900A模塊，該模塊以串口方式通信，通用AT指令集，于是我們應(yīng)用了微軟公司提供的ActiveX控件“Microsoft Communications Control，version6.0”以方便軟件與模塊進(jìn)行交互。軟件整體界面以方便操作，簡潔明了為主指進(jìn)行設(shè)計。

結(jié)語

智能無人水域環(huán)境監(jiān)測船集成了單片機(jī)、ARM控制器、GPS、電子羅盤、GPRS、C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、電機(jī)驅(qū)動和控制以及多種水質(zhì)監(jiān)測傳感器，研究內(nèi)容豐富，動手實(shí)踐工作量飽滿，給本課題組的成員提供了很好的開發(fā)平臺。

[1]史震等.運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008，05.

[2]張靜等.MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007，05.

浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

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