基于DSP的無人船水質檢測系統設計＊

周昌海，楊 燁，馬計劃，曹 揚

（滁州學院機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000）

1 研究背景

無人船的應用在現階段很廣泛，可以應用于無人快艇、營救搜尋等方面。相關的理論也很深入，如使用無人船通過原生的海洋能完成超長時間的測繪、觀察任務。但相關水質檢測的無人船研究與應用相對較少。傳統的水質檢測是組織人員到現場分層、分點、分區進行采樣，然后送去實驗室進行數據分析和水質化驗，費時費力，沒有辦法隨時檢測，無法保證信息的時效性。如果遇到天氣惡劣或者現場環境復雜，人工采樣不現實，因此，研究無人船的水質檢驗是有必要的。傳統的水質檢測有各種的局限性，而無人船具有高分辨率、高精度、高機動性等特點；可快速的獲得多種數據，節省人力物力，減輕人員工作量，可以在45 s之內獲得水質各種參數，相比于傳統的3～5 h更高效；縮短巡檢的間隔，提升了信息準確性。

2 設計方案

2.1 整體系統

船體采用復合金屬與木質材料制成，經過合理的搭配提高了性價比，降低了整體密度。無人船重要器件部位蒙上了一層塑料皮層來防水。大多數無人機只能在晴天工作，而無人船可以在雨雪天氣進行工作。全船長1 m，質量為7 kg。除去功能模塊外，還設有結構模塊，有效輔助全身保持平衡，提高性能，改善工作效果。船體底部的防水草斜口設計，能保證船體重心靠下居中，有效防止卷入水草生活垃圾等雜物，整體結構如圖1所示。船身裝配了有利于排水的斜坡，能在極端環境下正常工作，提升了設備的安全性和可靠性。

圖1 整體結構圖

2.2 系統結構

本無人船設計由無人船DSP（Digital Singal Process，數字信號處理技術）控制模塊、數據采集模塊、避障模塊3部分構成。

控制模塊是由DSP核心與船體的動力系統以及三相電機組成的。通過DSP接收到的實時圖像，采集數據信息，傳輸決策配合避障模塊，實現無人船的控制，快速反應，在不同流速的河流中，作出不同反應。可以提高馬力防止在湍流的河水中被沖走。無人船控制模塊是整個系統的核心，與各個模塊相連接，負責各模塊的調度和數據處理。數據采集模塊可以通過裝在船體外側的不同信道來采集不同數據。由DSP控制核心分時刻對摸擬數據量進行處理[1]。協調船體內搭載的低通濾波器，模擬開關和增益網絡，來實現數據的傳遞。無人船在水域中工作，會有水汽的影響，超聲波傳感器會因為空氣中的小水滴而不穩定，不符合預期目標。為了達成目標，本設計采用的是激光雷達避障，激光雷達受水汽影響較小，在晴朗天氣下，避障效果同樣好，不影響各模塊的配合與檢查結果的準確性。

為防止兩電機轉速不同導致船無法走直線的情況，連接電機編碼器。使用編碼器對電機進行PID控制；使用的是普通電機采用了連接電機驅動板，使系統的反應更迅速并且能減小誤差。本設計中無人船使用PID（比例、積分、微分）控制器控制設計程序便可保證船體平衡、控制船體的速度和方向，完成運動功能。

3 系統硬件、軟件設計

3.1 DSP核心控制系統

DSP是數字信號處理器，用數據計算的方法對要求的信號進行加工的理論和技術便是數字信號處理，通過無人船的DSP核心接收信號，對舵機等動力系統進行控制。進行姿態控制與姿態簡算，獲取的位置坐標、姿態數據和各個傳感器的狀態進行圖像傳輸、對光譜進行解算。使用Mahony算法，運算量較其他算法很小，速度、效果也好。Mahony互補濾波的原理主要體現在它的“互補”兩字上[2]。慣性測量結構是由陀螺儀、加速度計和陀螺儀組成。Mahony是用加速度計去校正陀螺儀的誤差[3]。

3.2 電機驅動電路

L293D通過2個與非門和雙H橋連接，通過IN1端和IN2端的高低電平情況，使電機驅動芯片的內部的H橋中的2只二極管截止，剩下2只打開。確定出電機的完整工作回路。通過設置這種方式為電機的正轉和反轉，保持上狀態不變將ENA端改為低電平，電機的驅動回路會被切斷，則電機會關斷。如果將IN1和IN2的電平狀態單獨改變，也會使電機的狀態改變。

3.3 避障的實現

超聲波傳感器和紅外傳感器效果不好，船體使用毫米波雷達避障，單天線毫米波雷達可以探測多個障礙物的距離、速度數據。多天線毫米波可以在此之上輸出障礙物的角度數為24 GHz，多天線的毫米波雷達波長約為13 m，可以避免無人船錯把水汽和下雨天的水珠當成障礙物。通過多個不同的測量信道，設置不同波長，便可以分析出障礙物的大小、障礙物是否在水面上。無人船綜合分析障礙的大小與位置，判斷避礙模塊是否需要響應，如果需要，無人船會急停或避障來躲避障礙。

在無人船船體外側裝舵機，并在該舵機上架設激光雷達。設計程序通過舵機勻速掃描截取，獲得若干個等位置數的結果，來模擬無人船近前方障礙情況。數據傳送回DSP核心供核心決斷，輔助避障功能的實現。

3.4 基于光譜分析的多參數水質監測

無人船要著重解決光譜識別。本設計使用的方案是使用CCD攝像頭來采集實時圖像信號，將采集到的模擬視頻信號通過A/D轉換芯片轉換為數字化圖像，數字圖像可以由DSP芯片識別和計算處理。從本質上來看，可以理解為通過輸入設備采集到模擬信號對應的圖像，離散去點，合理變換，轉換為離散的數字信號[4]，將這些離散數字信號處理為二維向量矩陣，并以該形式傳輸回DSP核心控制單元中去。

二維向量矩陣由光譜儀經信道傳入到DSP芯片。由DSP芯片和D/A轉換器兩者相互配合，D/A轉換單元可以將DSP輸出的數字化圖像經過D/A轉換，成為我們熟悉的摸擬信號量，送到顯示單元便可以顯示，原理如圖2所示[5-6]。

圖2 光譜分析多參數水質監測流程圖

使用了連續寬光譜分析技術，不將被測對象作為離散的數據組，工作時會掃描整個水域，進行紫外可見波段的全光譜掃描，得到整體水樣的光譜吸收圖[7]，設定以吸光度、波長和時間為不同的變量來模擬連續光譜的模型，建立標準數據庫，并上傳至服務器，方便之后對水質進行檢測，在線產生水體模型，測算水體整體質量，將數據傳輸回DSP核心，記錄或發出警報。

采用的光譜儀具有密度小、占用的空間對無人船影響小、能進行精確的水質分析等各項優點[8]，經CDD攝像頭準直系統色散分析聚焦成像，轉交探測顯示系統。無人船以微型光譜儀為檢測器件，并基于朗伯比爾定律透射光譜分析法來進行設計，進行在線的物理預處理，通過一定反應輔助條件進行氧化消解，發生與之相對應的顯色反應，形成可供DSP核心檢測的物理光譜。由CDD鏡頭來測定波長，可以檢測水質參數。檢測過程如圖3所示。

圖3 光譜分析預處理流程圖

4 系統調試

啟動無人船，換為調試模式輸入程序后，打開無人船，觀察無人船電源指示燈是否點亮，如果沒有被點亮的話要排查無人船是否接線正確，并且排查調整串口，防止下載錯誤。使用軟件進行燒錄時，應當先將無人船關閉再打開方可下載成功。用遙控器測試無人船在水中的移動功能，如前進后退、左轉右轉。觀察無人船驅動模塊的功能是否完整，檢查多天線毫米波雷達。在船體前方水面和水下不同位置處放置障礙物，觀察小船的移動情況，判斷避障模塊是否起作用。經過調試無人船的驅動模塊和避障模塊可以穩定發揮作用，接線正確，程序燒錄也沒有產生錯誤。

將無人船放置在水面上進行預模擬，觀察小船是否能正常工作，測試小船的光譜分析水質功能。先測量標準的水樣，然后和正確的數據進行對比。經反復校正，微型光譜儀使各項數據的最大誤差在允許的范圍。

在調試過程中出現了算法問題，在驗證靜態歐拉角時，進行了8組重復實驗，其中1組數據正常，7組數據的其他角正常，但偏航角有一定偏差。在查閱資料后重新將磁力計和加速度計與陀螺儀的三軸重新校正對齊。再重新進行大量重復實驗，偏航角的偏差大幅減小的同時沒有出現新的問題，其他角的輸出也均在正常的范圍內，認為該問題解決。有極少數組因為實驗地點周圍磁場影響過大而仍有少量偏差，但已經不影響本設計的正常應用，故不再考慮。

5 結語

以DSP處理器為核心的基于光譜分析法的無人船水質在線檢測技術能夠節約傳統基站水質檢測的經費，縮短工作時長，大大提高工作效率，該研究在水質監測方面具有一定的參考價值。通過該研究，希望在水質檢測方面，從一定空中平臺研究的領域可以向水面研究的領域進行擴展，讓穩定控制、數據傳輸、人機同步等技術得到進一步開發和利用。