无人驾驶水域环境智能监测船

（中国计量学院，浙江 杭州 310018）

无人驾驶水域环境智能监测船

林群馥 傅隆亮 陈晓斌 曹 阳 林 建

（中国计量学院，浙江 杭州 310018）

本文针对目前国内水质监测人员紧缺，监测数据难以保证准确性和实效性等问题，介绍了一种以太阳能作为动力的无人驾驶水域环境监测船，通过GPS、电子罗盘进行定位及导航，GPRS与远程基站无线传输数据，实现船舶的远程控制及无线通讯，并将监测到的环境参数和船舶周边影像传回到基站或手机上。该监测船可替代人完成偏远或恶劣环境下的全天候水域环境监测，具有较好的应用前景。

环境监测；GPS导航；GPRS通信；太阳能

1 船体控制系统

船体在航行中受到风，浪等影响，不能完全按照直线航行。所以通过电子罗盘，完成船与地磁北极夹角的测量并处理，保持船体的航向，同时通过GPS模块得到的经纬度坐标，确保船体在预期轨道上。

船体航向稳定性和机动性往往是矛盾的。利用船体航向控制装置就能较好的解决这个问题，也就是自动操舵仪。电子罗盘测量船体的航向与预期航向的偏差信号，送入自动舵系统，计算出所需的舵角指令信号，并控制舵机转舵，船体开始改变航向，当船体的航向与预期航向一致时，航向误差为零，于是自动舵输出零舵角信号，舵机让舵回到零位，使船在预期航向前行。

自动舵可以把船的航向精确控制于设定航向。但是，当船体收到横向干扰力会使船产生了横向平移，且自动舵无法纠正船体横向平移。此时我们加入GPS模块对船体进行控制，既形成了航迹舵控制系统。通过GPS模块得到船体当前的经纬度，和预定轨迹比较，得到船与预定轨迹的距离，再利用模糊PID算法，从而重新控制船体运动方向，实现轨迹追踪。船与预定轨迹距离d的计算公式如下：

d=（y-b）*cos（angle）-（x-a）*sin（angle）（1）

式中，x、y为预定轨迹上的一点的经纬度，angle为预定轨迹与正东方向的夹角，顺时针方向为正，a、b代表当前船体的经纬度，d为正代表船体在航迹的左边。

以上对船的这一系列控制算法，保证了船的正确行驶。

2 能源供给系统

无人驾驶水域环境智能监测船是户外运行，具备使用太阳能的条件和潜力。太阳能是一种清洁能源，不对环境产生任何危害；太阳光照射在地球上普遍存在，使用成本低，船体不需反复进基站补给，可满足船的长时间工作。

为了是使充电结构简单有效，我们使用42V/300W的太阳能板进行充电，采用BUCK拓扑。考虑到对负载的电压电流检测信号需要与负载共地，我们将开关管置于太阳能板正端。为避免电能浪费在开关管上造成能源浪费和发热，在开关管开通时必须完全导通，开关管驱动电压就必须大于太阳能板正端电压，因此必须添加一个电源。又因普通MOS管耐压为20V，所以我们设计了推挽变换器产生一个以MOS管源极为零电位的20V隔离电源为驱动电路供电。而以地为零电位的主控芯片则通过光耦对开关管占空比进行调节。因主控芯片和负载共地，所以负载的电压和电流就很容易分别通过分压和放大电路传递给主控芯片。

3 水质检测系统

水质监测系统是该船的核心，由水质传感器、单片机等组成。采用水泵对水体进行抽样，再利用各水质传感器实现对各种水环境参数的检测，通过适当信号处理单元经STM32单片机分析处理后上传主机，并在LCD上显示。

水质监测传感器部分担负起正确检测各项环境参数的任务，为了保证检测的准确性，采用了含信号处理电路的成品模块。水温、pH值检测采用龙戈电子pH传感器，模块上除pH传感器外还集成了水温传感器，适合我们计算pH值时考虑自动温度补偿。该成品提供水温检测范围0至100℃，pH值检测范围0～14。

单片机采用嵌入式单片机STM32，内置多路12位AD。该控制器主要完成对各参数信号的电信号采集、滤波、计算分析、LCD显示、环境参数上传主机等任务。

4 无线通讯系统

无线通信发送采用SIM900模块通过短信实现。短信性能稳定、使用方便且受其他影响小。在代码中可设置了白名单号码，只有白名单发送来的信息才会得到解码处理，可有效防止垃圾短信。白名单发送信息进行解码，根据不同命令可将GPS定位坐标以及测得的水质参数等数据发送还上位机进行解码处理。

所有数据均通过短信传输，短信收发应用了较适合数据传输的PDUMode。所有消息都可以在接收区中清晰地看到，可一键查看船体所在位置当前水质状况功能，通过该功能可以方便地查看水质情况，同时显示采集时间，软件在显示时将所有数据保存在文件中，方便日后查询。

5 远程监控系统

远程监控系统也采用SIM900模块通过彩信实现，根据上位机或者白名单手机号码的命令通过彩信将摄像头采集到的图像数据发还给上位机，通过彩信方式传回上位机，上位机将数据解码后予以显示，可远距离查看船周边情况。

任何有移动网络的地方，都可以实现远距离控制船的航行控制和图像采集。同时增添一键查看当前位置功能，并能在地图上显示，且在地图上便能够方便地指定船体的前进路线以及目的地。

上位机采用电脑控制，电脑控制端采用了我们较为熟悉也比较常用同时也是兼容较高的软件Microsoft Visual C++6.0编写，我们创建的是单文档程序，由于无线通信用到的是SIM900A模块，该模块以串口方式通信，通用AT指令集，于是我们应用了微软公司提供的ActiveX控件“Microsoft Communications Control，version6.0”以方便软件与模块进行交互。软件整体界面以方便操作，简洁明了为主指进行设计。

结语

智能无人水域环境监测船集成了单片机、ARM控制器、GPS、电子罗盘、GPRS、C++面向对象程序设计、电机驱动和控制以及多种水质监测传感器，研究内容丰富，动手实践工作量饱满，给本课题组的成员提供了很好的开发平台。

[1]史震等.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2008，05.

[2]张静等.MATLAB在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社，2007，05.

浙江省大学生科研创新团队资助项目

U674 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

A