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(1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)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(jiān)測無人船作為一種新型水域監(jiān)測平臺，因其自動化、智能化等優(yōu)點，已被廣泛應用于各種復雜水域的水質采樣與監(jiān)測[1]。國外研究機構在無人船研發(fā)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(fā)了用于環(huán)境監(jiān)測的無人船“Springer”、意大利國家研究理事會智能系統(tǒng)自動化研究所研發(fā)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(fā)了用于水深和環(huán)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(fā)，并在水質監(jiān)測等方面取得一系列成果。珠江水利科學研究院研發(fā)了一種用于水域勘測的無人船系統(tǒng)，國家海洋局第一海洋研究所研發(fā)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(fā)了一種用于水質采樣和監(jiān)測的無人船“ESM30”。

傳統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)，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(tǒng)的采樣船對水體的攪動，使采樣水域保持自然狀態(tài)，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(shù)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(jù)遙控器發(fā)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(shù)據(jù)。

1 無人船系統(tǒng)構成

1.1 系統(tǒng)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(jié)左右電機轉速，從而跟據(jù)左右電機的轉速以及差速，實現(xiàn)無人船的航速和轉向的控制。無人船系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)送采樣命令即可采樣，采樣完成后繼續(xù)前往下一個采樣點進行采樣，完成全部采樣任務后實現(xiàn)返航。每次無人船航行的相關數(shù)據(jù)將通過遙控器返回并儲存于上位機內，為后續(xù)進行相應的數(shù)據(jù)分析作準備。

1.2 系統(tǒng)框架

無人船系統(tǒng)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(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 無人船系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器系統(tǒng)

無人船系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)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(jié)電機的轉速。根據(jù)左右電機的差速，實現(xiàn)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(shù)據(jù)。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(wěn)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(shù)據(jù)融合算法，最后得到直接的角度數(shù)據(jù)。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(xiàn)。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(jiān)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(xù)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(xiàn)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?？刂瞥鏊芊较虻亩鏅C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?？刂瞥鏊芊较虻亩鏅C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(shù)據(jù)通信和定位

數(shù)據(jù)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(fā)模塊進行連接。遙控器對主控制器發(fā)送命令時，將與遙控器相連的nRF24L01無線收發(fā)模塊設定為發(fā)送模式，與主控制器相連的nRF24L01無線收發(fā)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(fā)送過來的指令并進行相應操作。命令發(fā)送后，將兩個nRF24L01無線收發(fā)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(shù)據(jù)通過nRF24L01無線收發(fā)模塊發(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)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(xù)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(jié)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(shù)據(jù)Ni(xi,yi,zi),i=0,1,2,3,4，設計一種算法，通過這5組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時Ni(xi,yi,zi),i=5，去掉i=0的數(shù)據(jù)，生成新的5組數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)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(tǒng)的功能進行劃分，對各個模塊獨立編程。模塊是系統(tǒng)設計和實現(xiàn)的基本單元，每個模塊實現(xiàn)一個完整單獨的功能，各個模塊由主函數(shù)進行調用，實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能。系統(tǒng)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?shù)拿顣r，進行相應判斷和操作。同時系統(tǒng)每200 ms采集一次數(shù)據(jù)，并通過無線通信將數(shù)據(jù)實時傳輸至遙控器，采集的數(shù)據(jù)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?shù)竭_采樣點后，等待接收采樣命令實現(xiàn)水質采樣并實現(xiàn)返航。

遙控器設計采用了μCOS-III實時操作系統(tǒng)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(yè)操作系統(tǒng)性能相當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)?；赟TemWin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(fā)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(tǒng)開啟μCOS創(chuàng)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(fā)送LED顯示任務。

4 系統(tǒng)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(tǒng)各個功能運行良好，達到了預期目標。但在運行時發(fā)現(xiàn)，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(shù)。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(wěn)定性。

圖4 系統(tǒng)整體測試圖

結 語

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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(tǒng)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(tǒng)應用。