基于STM32 的污染水體檢測無人船編隊(duì)系統(tǒng)

藍(lán)祝愿 鐘李鑫 陳開輝 張彭飛

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,廣西 柳州 545006)

隨著社會的發(fā)展,國民的環(huán)保意識不斷提高,人們對與生活息息相關(guān)的的水資源污染問題也愈發(fā)的關(guān)心。因此,環(huán)境治理問題也成為新時代背景下,我國要著力解決的重點(diǎn)問題。目前,對污染水體檢測的方式主要有現(xiàn)場檢測以及人工采集水體樣本返回實(shí)驗(yàn)室檢測兩種方式。兩種方式各有優(yōu)勢所在,實(shí)驗(yàn)室檢測的方式,可以對樣本進(jìn)行全面的檢測分析,但因?yàn)闃悠忿D(zhuǎn)移路程等因素的影響,導(dǎo)致檢測效率不高。現(xiàn)場檢測的方式主要使用水質(zhì)監(jiān)測無人船[1]等便攜式裝置,或是大型水質(zhì)檢測船。現(xiàn)場檢測可快速反饋檢測數(shù)據(jù),可應(yīng)用于廣闊水域。大型的水質(zhì)檢測船,成本較大,且容易受到水深等因素的限制,不夠靈活機(jī)動。無人船體積較小,對水深要求小,機(jī)動性能好,能應(yīng)用于城市小水溝等條件苛刻的水域。但由單一設(shè)備得出的檢測數(shù)據(jù),可靠性較低,將無人船進(jìn)行編隊(duì)化控制可以有效解決這一問題。

基于多智能體系統(tǒng)[2]理論研究無人船編隊(duì)的協(xié)同控制算法；在實(shí)際工程約束下的無人船編隊(duì)模型下,基于實(shí)際硬件的通信時延問題進(jìn)行理論分析,研究含時延的協(xié)同控制算法；為克服無人船編隊(duì)實(shí)際環(huán)境條件下硬件網(wǎng)絡(luò)中的通信帶寬和能量限制,在改進(jìn)概率量化通信的基礎(chǔ)上,研究量化一致性濾波算法[3]；本項(xiàng)目的無人船編隊(duì)檢測污染水體成分的方式,相比于單一的無人船檢測方式,效率更高,檢測的范圍更大,檢測結(jié)果的可信度更高。能高效率的檢測被污染水體的成分,為合理利用水資源有效的數(shù)據(jù)參考,為準(zhǔn)確高效的解決水體污染問題提供了良好的前提條件。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于STM32 的污染水體檢測無人船編隊(duì)系統(tǒng),由多只無人船及其裝配的檢測裝置、導(dǎo)航單元、無線射頻模塊、地面站顯示與控制界面組成,如圖1 所示。導(dǎo)航單元用于判斷航行方向與防止碰撞。無線射頻模塊實(shí)現(xiàn)無人船與地面站之間的通信,為無人船編隊(duì)協(xié)同控制[4]提供硬件通信基礎(chǔ)。動力單元根據(jù)主控芯片的指令調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。檢測裝置用于檢測水質(zhì)情況,通過無線射頻模塊傳輸?shù)降孛嬲具M(jìn)行顯示。地面站顯示與控制界面,對無人船檢測數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行顯示,并發(fā)送對無人船編隊(duì)的控制指令,如圖1。

圖1 基于STM32 的污染水體檢測無人船編隊(duì)系統(tǒng)總統(tǒng)框架圖

圖2 無人船硬件接線圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目需要外接多個傳感器,故選用USART、SPI、IIC通信接口豐富的STM32F103ZET6 作為主控芯片。無人船硬件接線圖如圖2 所示。導(dǎo)航單元：JY901 九軸姿態(tài)傳感器可以連接GPS 定位模塊,從而可以節(jié)省一個通信接口,通過感知地球磁場從而確定無人船的航向角[5]。水質(zhì)檢測單元：包含PH 傳感器、水體渾濁度傳感器、溶氧量傳感器、余氯量傳感器、電導(dǎo)率傳感器、氨氮量傳感器、溫度傳感器在內(nèi)的幾種常用的水質(zhì)檢測傳感器。動力單元：經(jīng)過降壓模塊給船載元器件提供電源,電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)主控芯片的指令,控制左右電機(jī)的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

3 系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的開發(fā)環(huán)境為MDK5,使用C 語言進(jìn)行編程,生成可燒錄到單片機(jī)鐘的hex 文件。無人船程序流程圖如圖3 所示。

圖3 無人船系統(tǒng)程序流程圖

如圖3 所示：在無人船系統(tǒng)中,進(jìn)行傳感器的初始化與STM32 單片機(jī)的程序進(jìn)行初始化配置之后,利用串口通信方式對操作指令和GPS 坐標(biāo)等信息進(jìn)行接收,并發(fā)送PH 值、水體渾濁度等水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)。根據(jù)工作模式標(biāo)志位的不同,無人船的控制狀態(tài)可分為待機(jī)模式、手動控制模式、自動控制模式三種。

圖4 地面站顯示與控制界面

無人船的控制模式標(biāo)志位由地面站顯示與控制界面的操作決定。地面站顯示與控制界面如圖4 所示。無人船地面站顯示界面主要內(nèi)容：(1)串口部分。使用串口通信連接無線終端設(shè)備與電腦主機(jī)。(2)無人船勾選部分。勾選參與巡航工作的無人船。(3)坐標(biāo)數(shù)據(jù)顯示部分。用于顯示無人船坐標(biāo)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。(4)水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)部分。實(shí)時顯示無人船檢測數(shù)據(jù)。(5)地圖顯示部分。用圖像顯示無人船坐標(biāo)與船頭方向。(6)功能區(qū)部分。功能1：手動控制模式。使用方向鍵直接控制無人船。功能2：路徑選擇模式。使用鼠標(biāo)在地圖上標(biāo)注坐標(biāo)點(diǎn),在自動控制模式下無人船自動根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)依次巡航。功能3：區(qū)域選擇模式。在地圖中劃定區(qū)域,在自動控制模式下無人船編隊(duì)自動巡航。功能4：自動控制模式。無人船編隊(duì)按照事先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行巡航。

在自動模式下,無人船的航線角度控制由PID 算法[6]實(shí)現(xiàn)。以航向角建立平面直角坐標(biāo)系,以目標(biāo)角度和當(dāng)前角度的差值作為反饋量,控制電機(jī)差速達(dá)到目標(biāo)角度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于水域環(huán)境較為復(fù)雜,不利于進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn),因此PID 調(diào)節(jié)航向角度算法的驗(yàn)證使用小車代替。小車搭配GPS 定位模塊、九軸傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等對PID 調(diào)節(jié)航向角度算法進(jìn)行驗(yàn)證。

基于MATLAB 環(huán)境根據(jù)串口通信讀取的數(shù)據(jù)生成PID 曲線如圖5 所示。

圖5 根據(jù)小車航向角度數(shù)據(jù)生成的曲線

如圖5 所示,曲線表示的是小車目前的航行角度,經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié),航行角度最終穩(wěn)定在86.5 度左右,保證了系統(tǒng)航行方向的穩(wěn)定性。

為了探究無人船編隊(duì)檢測水質(zhì)的可靠性與信息傳遞的穩(wěn)定性,對無人船編隊(duì)進(jìn)行水域環(huán)境實(shí)地測試。考慮到氨氮量傳感器、溶解氧傳感器等傳感器較為昂貴,本次驗(yàn)證的目的是在于檢驗(yàn)無人船編隊(duì)系統(tǒng)的分時通信能力。部分檢測數(shù)據(jù)匯總?cè)绫? 所示。

表1 中數(shù)據(jù)為地面站通過分時雙工通信方式接收到的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù),這表明系統(tǒng)通信穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的目的。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)因無人船編隊(duì)搭載冗余傳感器檢測裝置,檢測數(shù)據(jù)大幅提高可靠；且無人船可視任務(wù)不同定制隊(duì)形,同時設(shè)計(jì)防碰撞算法。

表1 部分水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)

為了結(jié)合國家對水體環(huán)境污染特別是黑臭水體的治理,在智能自動化檢測技術(shù)方面做出一定的工作,可推廣應(yīng)用于河流、湖泊、水利溝等水體的日常水質(zhì)監(jiān)測。