一種面向水質監測應用的無人艇設計與實現

肖玲君，何 姝，熊穎郡，朱 曼，陳華龍

應用研究

一種面向水質監測應用的無人艇設計與實現

肖玲君1,2，何 姝2，熊穎郡2，朱 曼3，陳華龍3

（1. 武漢市宇馳檢測技術有限公司，武漢 430205；2. 深圳市宇馳檢測技術股份有限公司，廣東 深圳 518055；3. 武漢理工大學，武漢 430079）

為提高水質監測無人艇的性能，設計了一種基于軟件定義的模塊化水質監測無人艇。文章首先梳理了其作業流程，并對底層電子電氣架構進行改進設計。然后基于硬件虛擬化和微服務技術，詳細設計了水質監測無人艇的控制系統，并對軟件定義的中央控制器進行了模塊化設計。系統測試和實船試驗表明，相比于傳統船型，該水質監測無人艇的全船控制網絡負載降低約50%，任務處理時延下降30%，各系統運行穩定，系統軟件定義能力和功能拓展能力顯著增強。

水質監測 水面無人艇 電子電氣架構

0 引言

傳統的水質監測方式主要是由監測人員人工實地采樣，這種水質監測方式容易受到天氣、水面漂浮物影響，監測范圍有限，且作業效率低，無法對水域進行實時動態監測，難以快速、準確的對水域水質進行全面監測[1]。近年來，隨著自動控制技術、信息技術、人工智能技術的不斷發展，無人艇在水質監測行業中得到快速發展和應用，為有效解決傳統人工水質監測存在的問題提供了新的方法和手段[2]。

水質監測無人艇是一種能自主航行和智能作業的無人作業平臺，根據其作業需求，需具備自主航行、路徑規劃、水質采樣與監測等功能。目前已有部分學者對該無人系統進行設計和測試，取得了較好的實用效果[3]。目前水質監測無人艇大多采用在已有成熟的通用無人艇平臺上加裝相關水質監測設備來實現水質監測的目的，通常采用軟硬件一體化的設計方案，即定制的硬件系統搭配相應的專用軟件，該方式可最大化設備的性能，布置簡單，但是卻犧牲了設備的靈活性。同時，傳統的水質監測無人艇采用分布式的設備布置形式，隨著水質監測無人艇智能化需求的提升，無人艇載的電氣化設備大幅增加[4]。軟硬件系統變得龐大、難以維護和擴展、故障率升高[5]。綜上，傳統的水質監測無人艇的軟硬件布置形式和設計方案導致各子模塊間信息交互效率較低，系統的可維護和功能拓展能力有限。

為此，本文設計了一種新型水質監測無人艇，首先對水質監測無人艇的電子電氣架構進行設計，以此來滿足水質監測無人艇子系統間高速信息交互需求，其次，分別對水質監測無人艇的岸基子系統、艇載子系統進行設計，并對水質監測無人艇系統的硬件架構和軟件架構進行解耦設計，實現水質監測無人艇實時控制和非實時控制功能的有效融合。最后，通過系統測試和實船試驗對所提出的方案進行了驗證。

1 水質監測無人艇的總體設計

無人艇水質監測的作業流程如圖1所示，主要步驟分為航線規劃、任務執行、返航回收等。

圖1 水質監測無人艇的作業流程

電子電氣架構最早由汽車工業界提出，通過對功能、性能、成本等方面進行分析，將動力系統、傳動系統、感知系統等組件通過合理的物理布局和網絡連接以實現設定的系統功能[7]。水質監測無人艇的電子電氣架構將無人艇的路徑規劃、運動控制、態勢感知、系統監測、水質采樣與在線檢測、供電系統、通信網絡等系統組件通過一定的方式連接，以更經濟、靈活的方式實現水質監測無人艇功能。

水質監測無人艇的電子電氣架構采用集中式架構，如圖2所示，中央控制器來對無人艇載所搭載的設備進行統一管理，連接激光雷達、攝像頭、慣性測量單元、高精度定位器（Real-time Kinematic, RTK）等。水質采樣和水質檢測設備通過核心交換機和中央控制器進行通信連接，全船采用CAN總線連接中央控制器和外設設備。

圖2 水質監測無人艇系統電子電氣架構圖

2 水質監測無人艇的控制系統設計

2.1 岸基控制子系統

岸基控制系統主要有地面控制站、人工操縱遙控器、通信基站組成。地面控制站是無人艇操縱的主要設備，其主要功能有無人艇的航路規劃，無人艇的運動控制，無人艇狀態顯示等。

岸基子系統中的地面控制站系統軟件采用Qt進行設計和開發，軟件采用多線程技術架構模式，將軟件劃分為界面主線程、通信子線程、控制子線程和數據庫子線程等4個線程。各線程之間通過Qt信號和槽機制實現數據通信、同步和異步操作。采用Qt中的衛星地圖數據庫實現地圖的顯示、標記和路徑規劃等功能[10]。

通信系統采用工業級電臺和4/5G雙通信模塊，型號為HT-M2022T-DE。采用多模通信的自適應切換設計，可以根據實時傳輸數據性質和大小選擇傳輸方式，以保證傳輸的穩定性。功耗最高為20 W，傳輸距離為 5 km，防水等級為IP65。

為了應對無人艇實際測量中可能出現的緊急狀況，在該無人艇的中央控制器中內置了自主航行、地面站遠程控制和遙控手動控制3種模式，以便在出現突發狀況下可有遠程控制器人工手動對無人艇航向、航速、控制模式等進行控制。

2.2 無人艇載子系統

水質監測無人艇作業信息流轉如圖3所示，無人艇載子系統的硬件主要包括中央控制器，由T506 NVIDIA Jetson Xavier 嵌入式開發板和一塊STM32F407備用控制板組成。中央控制器還連接攝像頭和雷達，用于對無人艇航行環境和障礙目標信息進行識別[11]，水質采樣和檢測設備通過網口連接中央控制器，由中央控制器依據任務進行控制。

圖3 水質監測無人艇作業信息流轉圖

備用控制板可在緊急情況時通過遙控器接收機接收遠程遙控器的控制信號，并將其轉換為PWM波傳輸給油門控制器和轉向壓力泵，實現應急遙控控制[12]。

采用中海達的SKY2型RTK系統作為無人艇的精確定位設備，通過網絡信號，可輸出厘米級定位精度的無人艇位置信息。采用HCM365B全姿態三維電子羅盤作為無人艇羅經設備，采用YIS300-A型慣導設備，其集成三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計，能提供高精度的加速度、角速度和姿態角等信息。視覺傳感器采用海康威視生產的DS-2CD3T87FP2型球機，通過軟件開發工具對其進行二次開發，采用Robosense RS型16線程激光雷達作為輔助環境感知傳感器。

2.3 中央控制器架構設計

中央控制器作為水質監測無人艇的核心部件，是實現無人艇預設功能的關鍵。中央控制器作為整個無人艇的處理和控制中樞，可以有效地增加設備間信息交互效率，減少通信布置成本。

2.3.1 中央控制器的軟、硬件解耦

水質監測無人艇功能需求的增加使得船舶軟件系統需要解決的問題愈發復雜，軟件系統變得龐大、難以維護和擴展、故障率升高。參考面向功能的架構，將系統所具備的能力抽象為具有調用接口和可重復調用的基礎服務，通過調用基礎服務來滿足系統的功能需求。通過合理的架構組織和運用分散在船舶系統不同部分的基礎服務，高效地利用船舶現有能力滿足水質監測無人艇功能需求。

通過將功能需求和硬件資源解耦，最小化服務功能組件之間的功能依賴性，提高了服務的可拓展性和重復利用率，如圖4所示，船載設備通過中央網關互相聯通，抽象為任務需要的獨立的基礎服務組件，服務之間通過設計的標準通信接口交互，這樣簡化整個系統的描述，降低架構系統的復雜性。

圖4 功能與設備解耦示意圖

本文利用基于Docker的資源虛擬化技術對無人艇的抽象應用和服務進行管理，利用無人艇水質監測任務的可分解性和任務時序邏輯，通過軟件定義方式，實現數據和應用解耦，根據服務進行，實現計算資源的靈活分配。Docker將單個服務應用的計算流程、數據依賴和應用配置打包，最后將每個應用放到一個隔離容器去運行，避免互相干擾，也有利于上層應用對底層基礎服務的調用。

2.3.2 中央控制器的軟硬件架構

設計的中央控制器硬件架構如圖5示，中央控制器的主要部件是由處理器和控制器組成，處理器和控制器之間通過SPI通信協議交換信息。攝像頭、雷達等設備信息輸入到處理器中，處理器對信息進行處理后輸入至控制器，作為無人艇控制的基礎。

圖5 中央控制器硬件架構

中央控制器的軟件架構采用三層架構如圖6示，包括底層系統軟件層、功能軟件層、應用軟件層[13]。底層系統軟件層，包括虛擬機、系統內核、中間件組件等。功能軟件層包括數據庫組件、中間件等，為應用軟件提供運行和開發環境。應用軟件層包括運動控制算法、動態避障算法，水質采樣和檢測算發等，用于實際實現對于水質監測無人艇的控制和各種實際功能。

在系統軟件層，通過硬件虛擬化技術和容器技術來實現對中央控制器的軟、硬件解耦，為水質監測無人艇的控制應用提高標準化的軟件運行環境和硬件隔離控制。通過容器技術實現對控制應用的封裝，可以更好的支撐各子系統的協同控制，完成更精確和復雜的智能控制功能。

系統軟件層將中央控制器虛擬化為若干虛擬模塊，包括CPU、內存、硬盤和IO口，并將系統控制分為實時CPU和非實時CPU。實時CPU 虛擬化以計算核心為基本分配單元，將CPU的計算核心分配給某一實時虛擬機，實時虛擬機獨占這些計算核心。非實時CPU虛擬化可以將一個計算核心分配給多個虛擬機，多個虛擬機通過時間片輪轉的方式分時使用計算核心。I/O虛擬化在I/O硬件之上虛擬出多個虛擬I/O接口，這些虛擬I/O 接口數據讀寫都通過一個消息隊列，I/O硬件將消息隊里將數據轉發到虛擬I/O。

根據水質監測無人艇需要執行的任務不同，系統軟件層可以合理調度硬件資源，來高效執行相關任務。如計算密集型任務的虛擬機需要分配更多的計算資源，對于存儲密集型任務，需要分配更多的存儲資源。不同的控制應用在中央控制器中也不會發生運行沖突，可以同時運行多個控制應用，提高了任務執行的靈活性和精確性。

在功能軟件層，通過部署容器到虛擬機中，實時控制應用和非實時應用可以通過在容器環境中運行，來簡化水質監測無人艇工程化部署的難度。

圖6 軟件定義下的中央控制器架構

通過將中央控制器的I/O接口標準化和虛擬化，可以有效地減少控制器負載設備的接口協議個數，實現高效的數據訪問，同時也簡化了水質監測無人艇的大規模部署的難度。

2.3.3 水質監測無人艇的一體化設計

無人艇在水質監測過程中需要重點解決數據高效采集、處理和利用的問題。為此，本文在中央控制器軟件架構中的功能軟件層設計了以基于微型數據中臺的數據統一處理、計算和轉發機制，如圖7所示。

圖7 一體化的數據管理架構

通過建立統一的數據管理平臺，可以將全局數據進行統一收集和處理，通過數據倉庫對數據進行匯集，同時具備實時和離線的數據采集能力，另外，數據倉庫可以對結構化、半結構化的數據進行采集和存儲。為了更好的服務于水質監測任務，航行狀態數據與水質采樣檢測數據需要進行實時匹配，通過部署在中央控制器的離線分析算法、準實時分析算法、實時分析算法和機器學習算法可以對數據進行統一處理和分析，增強無人艇的水質監測和航行狀態匹配能力。通過數據通信協議和消息中間件，實現數據資產的管理，支持數據到處和數據交換的功能。上層微服務和外部API可以調用基礎算法引擎對數據進行個性化處理，以實現數據的高效利用。

表1 網絡仿真結果

3 系統測試和實船試驗

3.1 系統測試

在湖北武漢東湖對水質監測無人艇系統進行實船測試。試驗水域相對風速為1.2～2.0 m/s。通過多組實驗測試，水質監測無人艇機械部分和電動系統保持穩定。實驗測得在設備載荷為40 kg 時，平均航速約為2 m/s，最高航速為5 m/s，電池組續航為328 min，最遠通信距離為4.8 km。

同時，為了驗證中央控制器對傳感器節點的數據收發效率，使用Omnet軟件搭建無人艇的網絡仿真模型[15]，如圖8所示，根據中央控制器連接的設備數量預估報文數量，測試中央控制器的網絡負載率。

圖8 中央控制器下的網絡仿真示意圖

對比中央控制器架構和傳統的分布式架構可以看出，在相同的節點數量下，分布式架構的網絡分支要比中央控制器的網絡分支多，分布式架構的平均網絡負載率要明顯高于傳統分布式架構；而對于等效帶寬，中央控制器架構要明顯高于等效帶寬。

另外，對所提出的中央控制器的性能進行分析，分別運行10、20、30、40和50個任務，觀察完成任務時控制器所需的調度時延。結果如圖9所示，基于軟件定義架構設計的控制器可以有效減少調度時延

圖9 不同控制器調度時延對比

3.2 實船試驗

水質監測無人艇的目標識別能力、路徑跟蹤和運動控制是水質監測無人艇開展水質采樣、檢測工作的基礎。為進一步驗證水質監測無人艇的實用性，對水質監測無人艇的實際效能進行實船試驗。

在測試時，在地面站軟件上設置需要檢測的水域范圍，地面站軟件可根據設定的水域范圍自動生成無人艇航線。無人艇的實際航跡如圖11所示，可以看出，水質監測無人艇的實際航跡和預設路徑的誤差較小，可較好的實現無人艇的自主航行。

圖10 水質監測無人艇實船

圖11 水質監測無人艇實際航跡

4 結論

本文提出了一種軟件定義水質監測無人艇的架構設計，詳細闡述了水質監測無人艇系統各組成部分的具體設計和實現過程，通過系統測試和實船試驗驗證了設計的水質監測無人艇系統的可行性。與傳統的水質監測無人艇由獨立的無人艇系統和水質監測系統組成不同，軟件定義水質監測無人艇采用航行功能和水質采樣和監測一體化設計，采用中央控制器連接艇載的控制器、傳感器、水質采樣和監測器，能夠提高無人艇數據交換能力，同時布線簡潔，便于無人艇系統功能的拓展和系統維護。實船試驗結果表明，該水質監測無人艇架構實現設定的設計目標。

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Design and implementation of the unmanned surface vehicle for water quality monitoring

Xiao lingjun1,2, He Shu2, Xiong Yingjun2, Zhu Man3, Chen Hualong3

(1. Wuhan Yuchi Testing Technology Co, Wuhan 430205, China; 2. Shenzhen Yuchi Testing Technology Co., Shenzhen 518055, China; 3.Intelligent Transportation Systems Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070, China.)

TP242.3

A

1003-4862（2023）09-0001-06

2023-02-27

湖北省科學技術廳2021年湖北省揭榜制科技項目(項目編號：2021BEC003)

肖玲君（1986-），女, 碩士, 工程師, 研究方向：環境監測。E-mail：xiaolingjun@yctesting.com

陳華龍（1992-），男，博士，研究方向：無人艇設計。E-mail：hualongchen@whut.edu.cn。