李勇，顧夏，羅尹政，雙豐*

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西電力裝備智能控制與運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的城市化進(jìn)程也在不斷推進(jìn)，同時(shí)也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境問題，尤其是水體環(huán)境的污染問題[1]。大量的污水及工業(yè)廢水等不達(dá)標(biāo)的廢水未經(jīng)過妥善處理就排放到水體環(huán)境中，使得水體遭受到不同程度的污染，水體中的污染物含量嚴(yán)重超過水體的自我凈化能力，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，給生態(tài)環(huán)境[2]與生物健康帶來了巨大的影響。根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2020年全國生態(tài)環(huán)境質(zhì)量簡況，2020年重要湖泊(水庫)水質(zhì)狀況中重度污染的占據(jù)了5.4%，中度污染占比2.7%，輕度污染占15.2%，可以看出較大部分的湖泊(水庫)的水質(zhì)遭受不同程度的污染，解決水體污染的任務(wù)迫在眉睫。

我國的水環(huán)境生態(tài)治理[3-4]過程自21世紀(jì)開始，至今仍然為消除黑臭水體和生態(tài)修復(fù)階段，主要采用控源截污、清淤疏浚、植物修復(fù)、生態(tài)護(hù)岸[5]等治理技術(shù)。隨著綠色、高效、持久的理念不斷發(fā)展，生物技術(shù)在水體環(huán)境資源治理領(lǐng)域的應(yīng)用尤其受到重視，特別是隨著生物技術(shù)的發(fā)展，微生物菌劑[6-8]及相關(guān)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，特別是在污染治理方面的表現(xiàn)尤為突出。

然而，在大部分利用投放微生物菌劑治理河道污染[9]的場景中，微生物菌劑的投放工作通常采用人工劃船投放的方式，這種人工投放的方式不僅工作量大且效率不高，需要人工劃船到達(dá)指定點(diǎn)后再進(jìn)行投放，往往無法精確地到達(dá)指定位置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量投放，而且在行進(jìn)的過程中難以實(shí)現(xiàn)均勻的投放菌劑。此外，人工投放的方式受到投放者技術(shù)水平的限制以及河道的具體情況影響，在投放的過程中可能存在菌劑投放不均勻、菌劑浪費(fèi)等問題，不利于菌劑的高效利用。這種投放方式需要投入大量的人工成本，并且在地理位置相對較復(fù)雜，特別是在操作人員不熟悉的環(huán)境中工作時(shí)存在安全隱患，因此基于無人船[10]的菌劑投放治理在當(dāng)前環(huán)境下具有巨大的應(yīng)用潛力[11-12]。

為了改進(jìn)菌劑投放工作者執(zhí)行重復(fù)性、長周期的工作模式，近年來一些無人船被應(yīng)用到水面工作[13-15]中，如水質(zhì)監(jiān)測、油污測量、河道測量無人船等，但是許多無人船如文獻(xiàn)[16]提出的無人船控制系統(tǒng)依賴于云端服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)控制指令以使無人船工作，存在實(shí)時(shí)性弱、對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求較高的問題，而且易受外界干擾，精度和穩(wěn)定性不高。針對上述問題，本文主要研究無人船在菌劑投放工作中的智能化應(yīng)用，主要解決菌劑投放精準(zhǔn)度低、均勻性差且具有危險(xiǎn)性與無人船領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境要求高、通信易受外界干擾的問題，特別是解決在菌劑投放過程中的人力投入問題，完成了無人菌劑投放船的船體外圍傳感器、模塊的驅(qū)動(dòng)集成與平臺(tái)基礎(chǔ)搭建；導(dǎo)航、環(huán)境感知與處理的調(diào)試，整船算法與功能集成與調(diào)試。相較于文獻(xiàn)[16]提出的無人船，本文中的菌劑投放無人船系統(tǒng)可以控制投放船獨(dú)立完成巡航與菌劑投放，一定程度上減少了對船體遠(yuǎn)程操作的環(huán)境要求與菌劑投放的人力成本，同時(shí)增加了圖像傳輸子模塊以了解投放船工作環(huán)境，提升了菌劑投放工作的安全性，滿足替代傳統(tǒng)菌劑投放方式的基本功能需求。

1 菌劑投放船平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的投放船搭載了圖像、液位、慣性傳感器與噴灑泵等部件，無人菌劑投放船外觀如圖1所示。

圖1 無人菌劑投放船外觀

其中，動(dòng)力電機(jī)與槳葉、電機(jī)驅(qū)動(dòng)共同構(gòu)成船體動(dòng)力模塊；慣性傳感器(inertial measurement unit，IMU)與GPS(global positioning system)傳感器組成定位與導(dǎo)航模塊；菌劑噴灑模塊由流量計(jì)、噴灑泵、驅(qū)動(dòng)模塊與液位傳感器組成；圖像采集與傳輸模塊由圖像傳感器與圖像傳輸模塊構(gòu)成；聲光模塊由LED燈和蜂鳴器組成，投放船的系統(tǒng)框架如圖2所示。以上模塊共同組成投放船控制系統(tǒng)[17]的硬件部分。

圖2 投放船的模塊框架

無人菌劑投放船控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)部分分為3層，即控制決策層、狀態(tài)監(jiān)測層與底層驅(qū)動(dòng)層，投放船的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，狀態(tài)監(jiān)測層主要負(fù)責(zé)采集船體搭載的如慣性傳感器、液位傳感器、GPS傳感器等外圍傳感器及動(dòng)力電機(jī)、電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)解析與再編碼后傳輸至控制決策層；控制決策層通過主控制器運(yùn)算處理無人船的各項(xiàng)狀態(tài)數(shù)據(jù)從而做出相應(yīng)的決策，如將船載的慣性傳感器的數(shù)據(jù)融合后得到航向角、俯仰角及翻滾角的數(shù)據(jù)，以判斷船體是否偏離航線或船體姿態(tài)是否安全等。若判斷出船體狀態(tài)存在如船身偏離航線或周圍出現(xiàn)障礙物的異常情況，則做出預(yù)警提示并將決策操作下發(fā)到底層驅(qū)動(dòng)層，從而將決策指令分發(fā)到各模塊，通過對外部硬件單元的控制實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，如驅(qū)動(dòng)船體動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，控制船體達(dá)到相應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，狀態(tài)監(jiān)控層還將船載關(guān)鍵信息如船體具體姿態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等狀態(tài)信息通過通訊模塊回傳至上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理。

圖3 投放船的系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 船體動(dòng)力模塊

圖4 船體的運(yùn)動(dòng)模型 Fig.4 Motion model of ship

船體動(dòng)力系統(tǒng)采用差分驅(qū)動(dòng)控制模型[18]，使用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)，通過脈寬調(diào)制分別改變左右動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓以控制船尾螺旋槳的推進(jìn)速度差，從而達(dá)到對船體的運(yùn)動(dòng)控制。船體的運(yùn)動(dòng)模型如圖4所示，當(dāng)2個(gè)螺旋槳推進(jìn)速度一致時(shí)，船體直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)2個(gè)螺旋槳推進(jìn)速度不一致時(shí)，船體進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。船體的運(yùn)動(dòng)速度v、角速度ω與轉(zhuǎn)彎半徑r與螺旋槳的軸距l(xiāng)及左右螺旋槳的推進(jìn)速度vl、vr關(guān)系如式(1)。主控制器根據(jù)船體的位置與任務(wù)信息決策投放船的航向，底層驅(qū)動(dòng)層將航向信息解算為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)參數(shù)，從而分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)動(dòng)力電機(jī)，調(diào)整控制投放船的航向。

(1)

1.3 定位與導(dǎo)航模塊

由于湖面或河道可能存在因地形環(huán)境形成遮擋而導(dǎo)致的GPS信號弱、精度低等問題，因此船體采用了GPS模塊S1216F8-BD(GPS/北斗雙模定位)與慣性傳感器組合的GPS/DR組合導(dǎo)航[19]定位方式，GPS與IMU耦合結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計(jì)中采用GPS與IMU松耦合的組合結(jié)構(gòu)，GPS與IMU分別獨(dú)立工作并各自提供導(dǎo)航參數(shù)。主控制器實(shí)時(shí)采集IMU傳感器數(shù)據(jù)后進(jìn)行姿態(tài)解算輸出船體當(dāng)前的坐標(biāo)p、速度ν、加速度a與姿態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取GPS模塊的位置、速度信息，采用卡爾曼濾波器[20]濾波后計(jì)算二者的數(shù)據(jù)差值，建立估計(jì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的誤差模型并利用誤差對慣性導(dǎo)航的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行修正，推算出運(yùn)動(dòng)航跡[21]與船體的精確定位信息。

圖5 GPS與IMU耦合結(jié)構(gòu)

圖6 路線規(guī)劃示意圖 Fig.6 Schematic diagram of route planning

投放船根據(jù)上位機(jī)或任務(wù)計(jì)劃更新運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)，由定位與姿態(tài)融合部分確定船體所在的世界坐標(biāo)點(diǎn)，并以當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)向目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃路線。船體運(yùn)行的路線規(guī)劃示意圖如圖6所示，以正北、正東方向建立坐標(biāo)系，投放船的坐標(biāo)點(diǎn)為a點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)為b點(diǎn)，根據(jù)電子羅盤得出船體當(dāng)前航向與正北方的偏航角為β，目標(biāo)點(diǎn)b與坐標(biāo)點(diǎn)a形成的路線偏航角為φ，由θ=φ-β可以計(jì)算出路線偏差角θ。因此，主控制器可以實(shí)時(shí)根據(jù)路線偏差角θ驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)調(diào)整船體方位，同時(shí)更新船體所在的坐標(biāo)點(diǎn)，再實(shí)時(shí)規(guī)劃運(yùn)行路線，通過不斷重復(fù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)，達(dá)到巡航投放菌劑的目的。

1.4 無線通訊模塊

投放船與遠(yuǎn)端上位機(jī)的無線通信采用LoRa無線模塊E22-400T22D完成無線通信，該模塊基于Semtech公司的遠(yuǎn)距離、低功耗無線收發(fā)芯片SX1268設(shè)計(jì)，相比于SX1278芯片，SX1268具有更遠(yuǎn)的傳輸距離與更高的傳輸速度，同時(shí)比SX1278的功耗更低。通信協(xié)議與特性對比見表1，LoRa(long range radio)擴(kuò)頻通信技術(shù)具有比WiFi、藍(lán)牙通信更遠(yuǎn)的通信距離、比WiFi與移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊方式更低的功耗，同時(shí)LoRa還支持用戶定義通信密鑰，極大地提升了通信數(shù)據(jù)的安全性。雖然LoRa的帶寬相比WiFi與移動(dòng)數(shù)據(jù)的帶寬更??；但由于投放船需要傳輸?shù)闹噶钆c運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)量較小，因此采用LoRa作為投放船的通信方式，能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。在使用中，LoRa模塊的工作頻段設(shè)置為433.125 MHz，空中速率設(shè)定為2.4 kbps，最大發(fā)射功率為22 dBm。

表1 通信協(xié)議與特性對比

遠(yuǎn)端上位機(jī)將任務(wù)或控制信息編碼后通過LoRa無線通訊模塊發(fā)送至投放船，投放船的主控制器讀取通訊模塊接收的信息數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，解析出通信數(shù)據(jù)中包含的任務(wù)及控制命令，從而修改投放船的運(yùn)行參數(shù)或調(diào)整航行目標(biāo)路線，并且將執(zhí)行結(jié)果與船體信息數(shù)據(jù)回傳至遠(yuǎn)端上位機(jī)。

1.5 菌劑噴灑模塊

菌劑噴灑子系統(tǒng)由流量傳感器、噴灑泵、流速調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、液位檢測計(jì)構(gòu)成，噴灑泵的出口與噴頭連接以使菌劑能夠均勻霧化。噴灑子系統(tǒng)如圖7所示，子系統(tǒng)接收到主控制器下發(fā)的噴灑等級控制數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)設(shè)等級計(jì)算并改變至對應(yīng)的PWM脈沖，從而達(dá)到預(yù)期的噴灑效果。PWM占空比D、噴灑泵電源電壓Vs與PWM控制輸出電壓Vout關(guān)系如式(2)，可以通過不斷調(diào)整PWM占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓從而調(diào)整噴灑泵的噴灑速度。如式(3)所示，船體的噴灑模塊電源為12 V，當(dāng)噴灑等級設(shè)定為最高等級時(shí)對應(yīng)的輸出電壓Vout應(yīng)為12 V，此時(shí)噴灑的PWM占空比D1應(yīng)設(shè)置為100%。

為了保證噴灑系統(tǒng)的精確控制，我們在噴灑管道中串聯(lián)了流量傳感器來反饋菌劑的流速，流速計(jì)算如式(4)，CP為1 s內(nèi)流量傳感器輸出的脈沖數(shù)，流量傳感器每計(jì)滿1 L流量產(chǎn)生2 340個(gè)脈沖，SL為菌劑通過傳感器的流速?？刂破骺梢酝ㄟ^流量計(jì)的反饋數(shù)據(jù)計(jì)算得到流速SL，從而詳細(xì)了解菌劑噴灑情況，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定量的投放。此外，液位檢測作為噴灑裝置的余量監(jiān)測的核心功能是不可或缺的，而船載菌劑容器有拆裝要求，因此采用非接觸式液位檢測的方式來監(jiān)測菌劑余量，通過檢測液位位點(diǎn)信號實(shí)時(shí)反饋容器內(nèi)菌劑液位，判斷余量是否低于報(bào)警閾值，若低于設(shè)定報(bào)警余量，則主控制器驅(qū)動(dòng)聲光模塊報(bào)警提示投放船的菌劑余量不足。

(2)

(3)

(4)

圖7 噴灑子系統(tǒng)

1.6 圖像采集與傳輸模塊

投放船工作環(huán)境的圖像信息對船體的安全監(jiān)控具有重要意義，是對于遠(yuǎn)端操作維護(hù)人員的重要參數(shù)，甚至直接影響投放船的投放安全性與效率。投放船采用基于WiFi 802.11 b/g/n協(xié)議的TS5887圖像傳輸模塊完成環(huán)境圖像的傳輸，該圖傳模塊支持NTSC制式的圖像數(shù)據(jù)傳輸，具有較好的兼容性。子系統(tǒng)通過船體搭載的攝像頭實(shí)時(shí)采集船體運(yùn)行過程中的前方環(huán)境圖像，并對圖像傳感器獲取到的圖像信息進(jìn)行處理，同時(shí)將處理后的圖像數(shù)據(jù)傳輸至圖像傳輸模塊，從而通過圖像傳輸模塊將船體工作環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻編碼并傳輸至上位機(jī)用以監(jiān)測，減少主控制器的工作負(fù)荷。無人船傳回的圖像如圖8所示，該圖為船體在廣西大學(xué)鑒湖工作時(shí)通過圖傳模塊實(shí)時(shí)傳回的圖像(分辨率為640×480像素)，其中左圖為投放船駛向岸邊并距離岸邊較遠(yuǎn)時(shí)回傳的圖像，右圖為投放船靠近岸邊時(shí)回傳圖像，遠(yuǎn)端操作維護(hù)人員能夠通過無線圖像傳輸模塊實(shí)時(shí)回傳的圖像了解投放船工作過程中的如植物、障礙物等環(huán)境信息。

圖8 無人船傳回的圖像

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了評估投放船在水面治理菌劑場景中的實(shí)際運(yùn)行效果，本文對投放船在遠(yuǎn)程通信性能、菌劑投放均勻度、不同投放等級下投放效果進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)測得數(shù)據(jù)對投放船進(jìn)行性能與問題分析。

2.1 投放船遠(yuǎn)程通信性能

本設(shè)計(jì)中，投放船的工作任務(wù)切換與下發(fā)、遠(yuǎn)程接管是以無線通信為核心的，為測試投放船遠(yuǎn)程無線通信性能，分別在空曠場景與有樹木遮擋的場景下對投放船的通信距離與信號強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于E22-400T22D模塊獲取的信號強(qiáng)度值Rssi(received signal strength indication)不同于FSK/OOK調(diào)制模式所表示的信號強(qiáng)度值RssiFSK/OOK,因此將獲取的信號強(qiáng)度值Rssi轉(zhuǎn)換為RssiFSK/OOK便于對比，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(5)所示。

RssiFSK/OOK=-256+Rssi

(5)

在兩個(gè)場景下實(shí)驗(yàn)測得的通信距離與信號強(qiáng)度分布見表2，繪制得通信距離與信號強(qiáng)度分布如圖9所示。

表2 通信距離與信號強(qiáng)度分布Tab.2 Distribution of communication distance and signal strength dBm

圖9 通信距離與信號強(qiáng)度分布

根據(jù)中國移動(dòng)制定的規(guī)范，設(shè)備接收信號在城市大于等于-90 dBm(鄉(xiāng)村取-94 dBm)則滿足覆蓋要求，本實(shí)驗(yàn)對投放船的無線通信信號強(qiáng)度進(jìn)行了測量，通信距離與信號強(qiáng)度分布及衰減情況如圖9所示。實(shí)驗(yàn)證明無線通信的信號強(qiáng)度隨著控制距離的增加，信號強(qiáng)度整體呈下降趨勢，特別是在有樹木遮擋的場景中相比空曠無遮擋的場景中的信號強(qiáng)度衰減更快。據(jù)通信距離與信號強(qiáng)度分布表可以看出，即使在有樹木遮擋的環(huán)境中，投放船的通信距離達(dá)到700 m時(shí)信號強(qiáng)度仍大于-90 dBm，滿足基本的信號覆蓋要求。

2.2 菌劑投放均勻度

為測試投放船載菌劑投放的均勻度，實(shí)驗(yàn)采用6個(gè)材質(zhì)、大小相同的采樣容器在噴灑投放范圍內(nèi)均勻分布并進(jìn)行采樣，通過采樣點(diǎn)的濃度對比以分析在投放噴灑菌劑過程中的噴灑均勻度。本次實(shí)驗(yàn)分別在無風(fēng)、有風(fēng)場景下進(jìn)行兩輪測驗(yàn)，并對6個(gè)采樣點(diǎn)中每個(gè)采樣點(diǎn)得到的200mL水樣進(jìn)行檢測分析，在采樣點(diǎn)的菌劑濃度分布見表3，繪制得采樣點(diǎn)濃度分布如圖10所示。

表3 采樣點(diǎn)濃度分布Tab.3 Concentration distribution of sampling points %

圖10 采樣點(diǎn)濃度分布

通過對計(jì)算在6個(gè)采樣點(diǎn)處采樣檢測的濃度標(biāo)準(zhǔn)差，投放船在無風(fēng)環(huán)境下的兩輪實(shí)驗(yàn)的平均采樣濃度標(biāo)準(zhǔn)差為2.979 09，通過噴灑均勻度的對比可以看出：在無風(fēng)環(huán)境下的菌劑投放過程中具有一定的投放均勻性；然而盡管在有風(fēng)環(huán)境下的兩輪實(shí)驗(yàn)的平均采樣濃度的標(biāo)準(zhǔn)差僅為1，但在每輪測試中較無風(fēng)情況下的噴灑效果削減較大且存在更大的標(biāo)準(zhǔn)差，分析其原因?yàn)橛捎诰鷦┑膰姙㈦S不同的風(fēng)向變化，在風(fēng)向的影響下菌劑的投放效果與均勻性有所降低。由實(shí)驗(yàn)分析可知，在無風(fēng)環(huán)境中兩輪中本文所設(shè)計(jì)的投放船在菌劑投放過程中的投放效果較好，采用投放船投放菌劑的均勻性優(yōu)于人工投放的方式，能夠在所覆蓋的區(qū)域中實(shí)現(xiàn)菌劑的均勻投放，但在有風(fēng)的環(huán)境中的投放效果與均勻性受影響較大，在未來的工作中需要考慮風(fēng)向等環(huán)境因素干擾導(dǎo)致的精度損失問題。

2.3 投放等級設(shè)置與效果

為了適應(yīng)不同菌劑劑量需求的場景，投放船控制系統(tǒng)根據(jù)10%至100%占空比設(shè)計(jì)了9個(gè)不同的菌劑投放等級，等級1設(shè)定驅(qū)動(dòng)噴灑泵的PWM工作在10%占空比，等級2設(shè)定PWM工作在20%占空比，相鄰等級之間設(shè)定10%的PWM占空比為等級差，以此類推，最大投放等級為100%占空比，系統(tǒng)共設(shè)定9個(gè)投放等級以滿足不同劑量需求的情況。本文對投放船在不同投放等級下的投放流量進(jìn)行兩輪測量，以實(shí)際每分鐘通過流量傳感器的流量計(jì)算菌劑噴灑速度，測得各投放等級下的流速(L/min)見表4，繪制各等級的流速分配情況如圖11所示。

表4 各投放等級下的流速Tab.4 Velocity of flow at each delivery level L/min

圖11 各等級的流速分配情況

此外，投放船在菌劑投放過程中的可覆蓋范圍對于菌劑的精準(zhǔn)投放非常重要，為了了解投放船的投放菌劑的覆蓋范圍情況，我們對設(shè)定的不同等級下的投放覆蓋范圍(半徑)進(jìn)行了兩輪測驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中量取噴頭到菌劑噴灑范圍的邊界之間的距離為該投放等級下的可覆蓋范圍半徑，實(shí)驗(yàn)測得各等級的投放覆蓋范圍(半徑)見表5。

表5 各等級的投放覆蓋范圍(半徑)Tab.5 Coverage at each delivery level (radius) cm

由各等級的噴灑速度情況圖可以看出，本文中設(shè)計(jì)的菌劑投放船在不同投放等級下的流量噴灑速度控制曲線能夠基本滿足預(yù)期的線性控制要求，由各等級的投放覆蓋范圍(半徑)表可以驗(yàn)證在各個(gè)投放等級下能夠達(dá)到對菌劑覆蓋范圍的梯度控制，投放船的菌劑投放的覆蓋范圍最大可達(dá)130 cm。投放船可以根據(jù)相應(yīng)投放等級的速率來控制投放時(shí)間，從而精準(zhǔn)控制在某一點(diǎn)處的菌劑投放劑量，此外，可以通過控制投放船工作在不同的投放等級以調(diào)節(jié)菌劑投放范圍，從而實(shí)現(xiàn)菌劑投放的精準(zhǔn)控制。

以上實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的投放船具有較大的遠(yuǎn)程控制范圍，在距離上位機(jī)700 m內(nèi)并且有樹木遮擋的區(qū)域內(nèi)仍能夠滿足信號大于等于-90 dBm的基本信號覆蓋要求，此外，投放船通過設(shè)定不同的投放等級能夠較為精細(xì)地控制菌劑的投放量與投放區(qū)域，改善人工投放方式的精度難以控制及投放均勻性較差的問題，使菌劑投放工作更加安全、科學(xué)。

3 結(jié)論

本文闡述了傳統(tǒng)河道治理過程中人工投放菌劑的狀況和缺陷，并且為了改進(jìn)當(dāng)前菌劑投放的人工方式的不足提出并設(shè)計(jì)了一種智能菌劑投放無人船，完成了無人菌劑投放船的外圍傳感器、模塊的驅(qū)動(dòng)集成與平臺(tái)基礎(chǔ)搭建。無人船具有巡航投放、環(huán)境監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、投放可控等多種功能，并通過實(shí)驗(yàn)對投放船在湖面的菌劑投放、無線通訊等功能進(jìn)行分析測試，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的無人投放船滿足替代傳統(tǒng)菌劑投放的基本功能需求。本文提出的投放船能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)菌劑投放模式的低精度、長周期問題，一定程度下降低了人力成本與人工操作的危險(xiǎn)系數(shù)，通過菌劑的智能投放能夠使環(huán)境治理任務(wù)更加綠色、科學(xué)。

本設(shè)計(jì)完成了無人菌劑投放船的外圍傳感器、菌劑投放等模塊的平臺(tái)搭建，能夠滿足基本的菌劑投放功能要求，但是在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了一些需要完善和改進(jìn)的設(shè)計(jì)點(diǎn)：

①由于船身設(shè)計(jì)的限制，未能搭載水質(zhì)檢測傳感器或水質(zhì)采樣裝置，不能在完成菌劑投放工作后對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測與分析；

②在環(huán)境治理的過程中，環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)能夠?yàn)榄h(huán)境治理提供重要的依據(jù)與實(shí)際參考，本設(shè)計(jì)中的無人船暫未收集菌劑投放過程中的環(huán)境變化數(shù)據(jù)，并整合構(gòu)建數(shù)據(jù)庫以預(yù)測環(huán)境治理的周期并制定合理的治理方案；

③投放船控制系統(tǒng)在菌劑投放工作中可能存在諸如風(fēng)向、遮擋等環(huán)境因素干擾導(dǎo)致的工作精度損失問題，在未來工作中將綜合考慮系統(tǒng)控制誤差與環(huán)境因素對精度的影響；

④船體搭載的圖像采集與傳輸模塊在目前階段只用于投放船工作時(shí)的環(huán)境情況采集回傳，暫未進(jìn)一步利用圖像信息對環(huán)境進(jìn)行語義分析。未來的工作中將利用多傳感器對菌劑投放無人船在復(fù)雜環(huán)境中的物體進(jìn)行檢測分析，增強(qiáng)菌劑投放無人船的控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中工作的智能程度。