基于云平臺的智能化水質采樣飛行機器人研究

嚴欽豪 吳曉春

(1.武漢理工大學 管理學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 航運學院，湖北 武漢 430060)

0 引言

隨著社會經濟迅猛發展，水環境污染問題呈現、污染多樣化、程度嚴重化的趨勢。為了加強水環境質量監控，及時掌握水質現狀情況，確定水體中污染物的時、空分布狀況，進而追朔污染物的來源、污染途徑及對人體健康的影響，需要進行實地水質取樣等工作。但是，現有水質檢測取樣工作，主要由人工完成，當出現水源面積較大、天氣惡劣、水質外部環境復雜(如森林內湖泊)等情況，就需要加大人力成本，同時，也存在一定作業危險。

目前，我國機器人產業被納入國家科技創新的重點領域，以機器人科技為代表的智能產業蓬勃發展，成為科技創新的重要標志[1]。如何將水環境保護中的水質取樣、存儲和運輸過程與機器人技術有機結合，從而逐步取代水環境保護領域的人工作業，將是環保領域科技發展的趨勢。

1 研究方法

一種替代人完成復雜環境下的污水監測作業的機器人，具有操控簡單、功能齊全、視野廣闊、快速搜索目標和高效避障的特點，能大幅提高監測作業效率、降低勞動成本、減少工作人員作業風險。主要基于互聯網云平臺、計算機視覺輔助巡檢系統和仿生原理等方法進行研究。

1.1 智能化全自主水質采樣

根據湖泊生態治理緊迫需求，針對工作人員長時間劃船去湖面中心去取樣檢測水質的問題，使用智能手機的互聯網云平臺作為操控平臺，將智能手機與空中飛行機器人的飛控系統進行信息融合，使其在不依賴于傳統遙控器情況下，可對飛行機器人設置具體任務。通過使用智能手機中的地圖APP數據庫與GPS衛星數據對飛行機器人在空中進行精確定位以及自主導航，從而實現飛行機器人全自主完成飛行任務作業，實現智能化全自主水質采樣[2]。

1.2 計算機視覺輔助的巡檢系統

加強視覺輔助系統的協同研發，通過融合飛行機器人視覺輔助系統，實現對飛行機器人巡檢場景的感知與巡檢作業，完成三維空間復雜環境的巡檢任務，實現定時、定位、定樣的水質采樣。同時，可以實時地通過無線圖像傳輸模塊將機載攝像頭中的視頻圖像發送到地面站，集控室控制人員從地面站接收視頻信息，根據巡檢任務需求和環境需求選擇適當的巡檢模式，對室外或路面不平坦時巡檢采用飛行巡檢。巡檢視野廣闊且搜索快速，大幅提高巡檢作業效率、降低勞動成本、減少人工作業風險。

1.3 利用仿生原理的水質采樣系統及裝置設計

利用蜻蜓在水面產卵時點水的原理，以及蝴蝶吸收花蜜過程中的虹吸原理等特點，針對小型飛行機器人采水裝置要求精致、多格、懸空采集等需要，在控制系統中，重點參考蜻蜓在水面飛行的穩定性系統和蝴蝶采集花蜜的虹吸特點。同時，設計飛行機器人自帶水樣儲存裝置，為了實現一次多點采集，還考慮將儲存裝置設計為多格，采水吸管實現多條或者分段采樣、分段儲蓄。采水裝置包括盒狀的箱體、吸管、蠕動泵、旋轉軸、小電機等設置。裝置設計既要體現采水樣時的穩定性，也要保證采水吸管容易纏繞打結等問題。分段采樣時，蠕動泵體和采樣管中會存留采樣的殘液，程序設計中還考慮采樣后通過虹吸原理將蠕動泵體和采樣管中的殘液排空、沖洗干凈后，再進行采樣。

2 智能仿生采樣機器人系統及裝置設計

基于云平臺的智能化水質采樣飛行機器人主要分為3部分：飛行系統、視覺輔助系統、智能手機終端。

2.1 空中巡檢機器人飛控系統

將智能手機平臺作為云控制終端，通過使用智能手機作為操控平臺，將智能手機與飛行機器人飛控系統進行信息融合，使其在不依靠傳統遙控器情況下，對機器人設置具體任務，通過融合機器人視覺輔助系統實現對機器人的巡檢場景的感知與理解，完成三維空間復雜環境的巡檢任務。設計的智能機器人總電路包括單片機最小系統模塊，與單片機最小系統模塊相互連接的氣壓計定高模塊、無線遙控傳輸模塊、液晶顯示模塊以及陀螺儀加速度模塊、圖像保存模塊以及電機驅動模塊等。研究適用攝像頭的5.8GHz頻率的無線圖像傳輸電路和攝像頭圖像處理系統，[3]攝像頭實時采集機器人的視覺信息，經5.8GHz頻率的無線圖傳傳輸到地面站監控臺，人工操作圖像信息完成，實現視覺輔助定位。

基于智能手機和視覺輔助的空中巡檢機器人飛控系統具體的巡檢方法如下。

步驟1：系統初始化，包括陀螺儀加速度模塊、氣壓計定高模塊、攝像頭模塊以及電機驅動模塊的初始化。

步驟2：檢測機器人電池電壓，經AD處理和CPU計算出其電壓數值，并將電壓數值和調試參數顯示在液晶顯示模塊上。

步驟3：應用開源APP經信號轉換，由無線遙控傳輸模塊向飛控系統發送解鎖信號，讀取后經單片機最小系統模塊處理，最后對飛控系統進行解鎖。

步驟4：讀取智能手機終端發送來的操控信息，并在單片機最小系統模塊內部進行信號處理分析與計算，將其操控信息轉化為空間位置信息。

步驟5：讀取攝像頭模塊圖像信息。

步驟51：經無線圖像傳輸模塊，將讀取的攝像頭模塊圖像信息發送到地面站，并在液晶顯示模塊上進行實時圖像顯示。

步驟52：通過對讀取的遙控信息進行分析，判斷是否需要對飛控系統上的圖像信息進行現場保存。

步驟6：再次檢查機器人電池電壓，判斷是否需要報警模塊報警。

步驟7：讀取氣壓計定高模塊、陀螺儀加速度模塊信號，并經算法處理得出對應的高度信息和角度信息。

步驟8：將高度信息和角度信息與無線遙控傳輸模塊發送來的遙控信號相融合，融合成最終機器人需要達到的目標信息。

步驟9：將最終的目標信息，轉化成電機的控制信號PWM信號[4]，將各路PWM信息定到各自對應的電機驅動模塊控制電路中。

2.2 智能飛行機器人仿生虹吸采水裝置設計

由于水質采樣過程中，水體分布不均勻、環境惡劣、取樣時的局限性等多因素的制約，做好“仿生虹吸采水裝置”設計，包括盒狀的箱體、固定擋板、用于實現吸水管放下與收縮的旋轉軸、用于儲存檢測樣品的蓄水池以及用于將湖水從吸水管吸入并排出到蓄水池中的蠕動泵等。本取樣裝置設計目的在于，可以能夠在任何水域實現快速自主取樣，設置好航線實現取樣后自主返航在指定位置。本裝置設計主要結構包括：箱體、旋轉軸、蓄水池、膠管、蠕動泵、單片機、電機、位移碼盤。具體結構設計如圖1所示。

圖1 污水采集裝置

1 旋轉軸；2 蓄水箱；3 蠕動泵；4 固定擋板；5 電機

2.3 智能飛行機器人水質采樣裝置高度控制系統

為保證采水飛行機器人工作的穩定性，在設計中通可以設置機器人離水面的高度值為h1，其高度可以通過機器人的超聲波檢測反饋到手機客戶端，當需要取樣水面下h2處的水樣，通過電機配合碼盤記錄旋轉軸將軟管放入水中h2處時已經放下的軟管總長度為h。一般情況下軟管長度不宜超過5米。所以應滿足下面幾組關系式：

污水采集裝置取樣過程原理圖如圖2所示。

圖2 水質取樣過程原理

3 結語

基于互聯網云平臺控制的水質采樣飛行機器人的成功研制，通過多次試點試驗，使之能夠具備通過指令自主運行到達指定位置，通過特殊處理的蠕動泵將水樣吸入特定的儲水箱中，并可以通過飛行器上的拍攝裝置將實施的情況傳輸給后臺等水質采樣功能，從而實現三維空間復雜環境的巡檢、大幅提高巡檢作業效率、降低勞動成本、減少維護人員作業風險的目的，優化水環境水質采樣方式。