遙控水質采樣的自適應空氣動力無人船系統設計*

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(1.江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044；2.南京信息工程大學)

引 言

遙控水質采樣與監測無人船作為一種新型水域監測平臺，因其自動化、智能化等優點，已被廣泛應用于各種復雜水域的水質采樣與監測[1]。國外研究機構在無人船研發方面起步較早，率先取得一定進展，例如英國普利茅斯大學研發了用于環境監測的無人船“Springer”、意大利國家研究理事會智能系統自動化研究所研發了用于海洋表面水質采樣的無人船“SESAMO”、美國密歇根大學研發了用于水深和環境測量的無人船“BathyBoat”。

近年來，國內眾多研究機構也先后積極開展無人船的研發，并在水質監測等方面取得一系列成果。珠江水利科學研究院研發了一種用于水域勘測的無人船系統，國家海洋局第一海洋研究所研發了一種用于水深測量和抵近觀察的無人船“USBV”[2]，珠海云洲智能科技有限公司研發了一種用于水質采樣和監測的無人船“ESM30”。

傳統無人船的動力螺旋槳處于水中，在一些污染嚴重、水生植物生長繁茂、水體表面漂浮物密集的采樣水域，無人船在行進過程中螺旋槳會時常被雜物纏繞，輕則阻礙船只行進，重則使船體受損，對水質監測部門開展相關清除工作極其不利。

針對上述問題，設計了一種遙控自適應空氣動力無人船系統，其動力由一對在空氣中高速旋轉的螺旋槳提供，螺旋槳位于空氣中避免了水中漂浮物對航行和采樣造成的不利影響，最大限度減少了傳統的采樣船對水體的攪動，使采樣水域保持自然狀態，提高了采樣、測量準確性。

同時，提出的污染源在線追蹤法可通過污染指數迭代讓無人船向著污染程度高的地方航進，采樣結果更具代表性。無人船可根據遙控器發送的指令，采取遙控或自動航行模式行駛至目的地，完成采樣任務，并實時返回傳感器采集到的數據。

1 無人船系統構成

1.1 系統工作原理

空氣動力無人船采用雙無刷電機驅動的一對空氣螺旋槳推動，通過主控制器對左右電機分別輸出不同占空比的PWM信號，調節左右電機轉速，從而跟據左右電機的轉速以及差速，實現無人船的航速和轉向的控制。無人船系統可以通過上位機對其進行遙控航行或自動航行模式選擇，遙控航行即通過遙控器，人為地控制船體運行，遙控器與主控制器之間利用nRF24L01實現無線通信。

自動航行是通過設置采樣點的經緯度坐標，利用GPS模塊和九軸傳感器不斷采集無人船方位信息，通過PID控制算法自動控制左右電機轉速，調整無人船航向，使其自行前往采樣點。到達采樣點給無人船發送采樣命令即可采樣，采樣完成后繼續前往下一個采樣點進行采樣，完成全部采樣任務后實現返航。每次無人船航行的相關數據將通過遙控器返回并儲存于上位機內，為后續進行相應的數據分析作準備。

1.2 系統框架

無人船系統主要包括上位機、遙控器、STM32主控制器、無線通信模塊、動力裝置、避障模塊、九軸傳感器、GPS定位模塊、水質采樣模塊以及電源模塊。無人船系統結構框圖如圖1所示。

圖1 無人船系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 控制器系統

無人船系統要求控制器有較高的運算效率、良好的實時性以及足夠的I/O端口與外設進行連接，因此綜合考慮性能、成本、體積等因素，系統采用STM32F103ZET6作為主控制器和遙控器，進行相關硬件電路及軟件設計。STM32F103ZET6是ST公司生產的基于ARM Cortex-M3核心的帶512 KB閃存的32位低功耗微處理器，具有72 MHz的最高工作頻率、11個定時器、13個通信接口以及112個快速I/O端口。主控制器與各模塊間連接的系統硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路圖

2.2 動力裝置

動力裝置主要由兩個搭配2845KV2750電機的FMS模型飛機配件70 mm 12葉涵道和兩個70 A無刷電調組成。通過主控制器輸出不同占空比的PWM信號，調節電機的轉速。根據左右電機的差速，實現采樣船的轉向。通過定時器TIM3的通道2和通道3，即PB5和PB0控制無刷電調。定時器產生的PWM周期為20 ms，當PWM占空比為10%時，電機速度達到最大，占空比為5%時，電機速度為零。這里把電機的速度劃分為10個等級，同一個方向鍵每按下一次，加速一次。

2.3 航行控制與避障

無人船自動航行時需要自動控制，因此應通過九軸傳感器來實時測量無人船行駛的方位角數據。GY953九軸傳感器是一款低成本AHRS模塊，工作電壓為3～5 V，測量范圍為-180°～180°，分辨率可達0.1°，具有功耗小、體積小、精度高、穩定性好、性價比高等特點。其工作原理是通過陀螺儀、加速度傳感器和磁場傳感器經過數據融合算法，最后得到直接的角度數據。在無人船自動航行時，九軸傳感器返回的歐拉角對船體的航向進行相應調整。

避障裝置采用HC-SR04超聲波測距模塊來實現。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm，測量角度為15°。該裝置安裝在無人船船頭處，實時監測船體前方是否存在障礙物以及與障礙物之間的距離。若前方無障礙物，則繼續行進；否則當無人船與障礙物之間的距離小于3 m時，則無人船立刻自動減速，進行轉向避障，并在遙控器LCD上顯示報警信息。

2.4 水質采樣模塊

水質采樣模塊由抽水泵、深度控制裝置和出水管方向控制裝置三部分組成。抽水泵采用5 V直流電機，通過L9110S電機驅動模塊控制電機的正反轉，實現抽水與排水的功能。使用的抽水泵具有截止閥功能，能夠雙向防倒流。抽水前，先將電機反轉，使管中的水完全排出，再進行抽水采樣。深度控制裝置由步進電機與滑輪構成，由控制器控制五線四相步進電機旋轉不同角度，控制水管下沉的深度、驅動方式為四相四拍。

出水管端接到舵機上，由舵機通過定時器TIM3的通道4，即PB1口控制其方向。當輸出PWM占空比為7.5%時，出水管指向正中間。當占空比為5%時，舵機左轉45°；占空比為10%時，右轉45°。

當采樣船到達采樣點進行采樣時，首先抽水泵反轉，將水泵中的水完全排出，進行淺采樣。控制出水管方向的舵機右轉45°，控制深度的五線四相步進電機正轉3 s，將抽水管放下去。由于水管較長，設置抽水時間為25 s，25 s后抽水泵自動停止，舵機將出水管方向拉回中間位置，控制深度的五線四相步進電機反轉3 s，提出抽水管，淺抽水結束。

接下來進行深抽水，將抽水泵反轉，使水泵中的水先放出來，再進行采樣。控制出水管方向的舵機左轉45°，控制深度的五線四相步進電機正轉6 s，將水管深放。抽水時間同樣是25 s，25 s后抽水泵自動停止，舵機將出水管方向拉回中間位置，控制深度的五線四相步進電機反轉6 s，提出抽水管，深抽水結束。

2.5 數據通信和定位

數據通信采用nRF24L01無線通信模塊，主控制器和遙控器均通過串行外圍接口SPI與nRF24L01無線收發模塊進行連接。遙控器對主控制器發送命令時，將與遙控器相連的nRF24L01無線收發模塊設定為發送模式，與主控制器相連的nRF24L01無線收發模塊相應地設定為接收模式，此時主控制器可以接收遙控器發送過來的指令并進行相應操作。命令發送后，將兩個nRF24L01無線收發模的設定模式進行互換，主控制器可將各傳感器采集到的數據通過nRF24L01無線收發模塊發送至遙控器，遙控器進行LCD顯示，并通過串口存儲于上位機中。

在無人船自主航行時，通過GPS實現定位以及時間的標定，每200 ms返回一次當前經緯度坐標，系統設計中使用的是ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊，這是一款高性能GPS/北斗雙模定位模塊，同外部設備的通信接口采用串口方式，輸出的GPS定位數據采用NMEA-0183協議，控制協議為SkyTraq協議。GPS有源天線一般采用SMA接口，而該模塊為IPX接口，因此通過一根IPX轉SMA連接線將有源天線與ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊連接，并將天線至于無人船內較為空曠位置，避免因遮擋而影響信號的正常接收。

3 相關算法及軟件設計

3.1 自適應定航

圖3 方位直角坐標系

其中，以正東方向為起始邊，順時針方向所形成的夾角α為正值，逆時針方向所形成的夾角α為負值，α取值范圍為[-180°，+180°]。

3.2 污染源在線追蹤法

為了更好地找出污染源頭，提出了一種污染源在線追蹤法。在船體上安裝水質傳感器，每次采樣后直接對樣本進行檢測。對檢測后的結果進行算法處理，找到一個污染程度最高的點，然后沿著這一點繼續航行一段距離再次采樣，將之前采樣點中污染程度最低的點去掉，再次進行算法處理，不斷迭代，最終可以找到污染源。

定義節點Ni(x,y,z),i=0,1，…，n-1，x和y是采樣點坐標，可以通過GPS獲得，z代表污染程度，這里認為z∈[0,1]，z=1表示污染程度最大，即可以認為的z=1地方是污染源。

假設控制采樣船采集到5組數據Ni(xi,yi,zi),i=0,1,2,3,4，設計一種算法，通過這5組數據來確定一個污染程度最高的點，進行第6次采樣，在第6次采樣點采樣得到一組新的數據時Ni(xi,yi,zi),i=5，去掉i=0的數據，生成新的5組數據Ni(xi,yi,zi),i=1,2,3,4,5，計算下一次采樣的坐標，如此迭代下去，坐標更新算法可以表示為第k次(k=1,2,…),計算下一個需要采樣的坐標為：

迭代到相鄰兩次采樣點污染程度|Δz|<ε,ε>0時，即可認為已找到污染源。

3.3 系統軟件設計

系統程序在Keil uVision4平臺，采用C語言進行編寫。利用模塊化設計方法，對系統的功能進行劃分，對各個模塊獨立編程。模塊是系統設計和實現的基本單元，每個模塊實現一個完整單獨的功能，各個模塊由主函數進行調用，實現整個系統功能。系統軟件包括主控制器程序和搖控器程序模塊。

主控制器程序完成無人船的命令接收和分析、無人船的航行控制、水質采樣和分析、無線通信等功能。上電后首先對各個模塊初始化，當nRF24L01模塊檢測到遙控器傳輸的命令時，進行相應判斷和操作。同時系統每200 ms采集一次數據，并通過無線通信將數據實時傳輸至遙控器，采集的數據包括9軸傳感器返回的角度、GPS模塊返回的UTC時間和經緯度坐標、超聲波測距模塊返回的距離。通過自適應定航和避障算法進行航行控制，當到達采樣點后，等待接收采樣命令實現水質采樣并實現返航。

遙控器設計采用了μCOS-III實時操作系統和STemWin嵌入式GUI。μCOS-III是一個可基于ROM運行的、可裁減的、搶占式、實時多任務內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，適合很多商業操作系統性能相當的實時操作系統。基于STemWin嵌入式GUI,可以提供功能豐富的圖形用戶界面，在PC上用GUIBuild軟件設計好界面再移植到微處理器上，減少了開發周期。遙控器上電后，先完成硬件自檢，串口打印自檢信息，自檢完成后掛載文件系統開啟μCOS創建4個任務：nRF24L01無線通信任務、STemWin GUI繪制任務、LCD觸摸檢測任務、指令發送LED顯示任務。

4 系統測試

將無人船置于湖中，在岸邊通過遙控器對其操控。當達到采樣點后，遙控其進行不同深度的采樣，采樣后返回。如圖4所示，圖4(a)為整體效果圖，圖4(b)為無人船前進圖，圖4(c)為采樣結束返航圖。測試結果表明，系統各個功能運行良好，達到了預期目標。但在運行時發現，風力過大會對船體航行影響較大，后期考慮在船體上增加無刷電機個數。在船體兩側增加橫向的電機，用來調整船體的方向，相比與目前裝置，改進后的裝置可以在采樣時保證船體的穩定性。

圖4 系統整體測試圖

結 語

[1] 金久才, 張杰, 邵峰,等. 一種海洋環境監測無人船系統及其海洋應用[J]. 海岸工程, 2015, 34(3): 87-92.

[2] 崔文連, 金久才, 王艷玲, 等. 無人船技術在湖泊/水庫水體監測中的應用探討[C]//中國環境科學學會學術年會論文集, 2013.

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[7] 彭靜, 張維勇, 李洋. 基于嵌入式系統的GUI軟件開發包的設計與實現[J]. 合肥工業大學學報:自然科學版, 2009(4).

張自嘉(教授)，主要研究方向為傳感器與檢測技術、智能儀器與嵌入式系統應用；呂查德、閆朝陽(本科生)，主要研究方向為測控技術與儀器；徐晨(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統應用。