基于DSP的无人船水质检测系统设计＊

周昌海，杨 烨，马计划，曹 扬

（滁州学院机械与电气工程学院，安徽 滁州 239000）

1 研究背景

无人船的应用在现阶段很广泛，可以应用于无人快艇、营救搜寻等方面。相关的理论也很深入，如使用无人船通过原生的海洋能完成超长时间的测绘、观察任务。但相关水质检测的无人船研究与应用相对较少。传统的水质检测是组织人员到现场分层、分点、分区进行采样，然后送去实验室进行数据分析和水质化验，费时费力，没有办法随时检测，无法保证信息的时效性。如果遇到天气恶劣或者现场环境复杂，人工采样不现实，因此，研究无人船的水质检验是有必要的。传统的水质检测有各种的局限性，而无人船具有高分辨率、高精度、高机动性等特点；可快速的获得多种数据，节省人力物力，减轻人员工作量，可以在45 s之内获得水质各种参数，相比于传统的3～5 h更高效；缩短巡检的间隔，提升了信息准确性。

2 设计方案

2.1 整体系统

船体采用复合金属与木质材料制成，经过合理的搭配提高了性价比，降低了整体密度。无人船重要器件部位蒙上了一层塑料皮层来防水。大多数无人机只能在晴天工作，而无人船可以在雨雪天气进行工作。全船长1 m，质量为7 kg。除去功能模块外，还设有结构模块，有效辅助全身保持平衡，提高性能，改善工作效果。船体底部的防水草斜口设计，能保证船体重心靠下居中，有效防止卷入水草生活垃圾等杂物，整体结构如图1所示。船身装配了有利于排水的斜坡，能在极端环境下正常工作，提升了设备的安全性和可靠性。

图1 整体结构图

2.2 系统结构

本无人船设计由无人船DSP（Digital Singal Process，数字信号处理技术）控制模块、数据采集模块、避障模块3部分构成。

控制模块是由DSP核心与船体的动力系统以及三相电机组成的。通过DSP接收到的实时图像，采集数据信息，传输决策配合避障模块，实现无人船的控制，快速反应，在不同流速的河流中，作出不同反应。可以提高马力防止在湍流的河水中被冲走。无人船控制模块是整个系统的核心，与各个模块相连接，负责各模块的调度和数据处理。数据采集模块可以通过装在船体外侧的不同信道来采集不同数据。由DSP控制核心分时刻对摸拟数据量进行处理[1]。协调船体内搭载的低通滤波器，模拟开关和增益网络，来实现数据的传递。无人船在水域中工作，会有水汽的影响，超声波传感器会因为空气中的小水滴而不稳定，不符合预期目标。为了达成目标，本设计采用的是激光雷达避障，激光雷达受水汽影响较小，在晴朗天气下，避障效果同样好，不影响各模块的配合与检查结果的准确性。

为防止两电机转速不同导致船无法走直线的情况，连接电机编码器。使用编码器对电机进行PID控制；使用的是普通电机采用了连接电机驱动板，使系统的反应更迅速并且能减小误差。本设计中无人船使用PID（比例、积分、微分）控制器控制设计程序便可保证船体平衡、控制船体的速度和方向，完成运动功能。

3 系统硬件、软件设计

3.1 DSP核心控制系统

DSP是数字信号处理器，用数据计算的方法对要求的信号进行加工的理论和技术便是数字信号处理，通过无人船的DSP核心接收信号，对舵机等动力系统进行控制。进行姿态控制与姿态简算，获取的位置坐标、姿态数据和各个传感器的状态进行图像传输、对光谱进行解算。使用Mahony算法，运算量较其他算法很小，速度、效果也好。Mahony互补滤波的原理主要体现在它的“互补”两字上[2]。惯性测量结构是由陀螺仪、加速度计和陀螺仪组成。Mahony是用加速度计去校正陀螺仪的误差[3]。

3.2 电机驱动电路

L293D通过2个与非门和双H桥连接，通过IN1端和IN2端的高低电平情况，使电机驱动芯片的内部的H桥中的2只二极管截止，剩下2只打开。确定出电机的完整工作回路。通过设置这种方式为电机的正转和反转，保持上状态不变将ENA端改为低电平，电机的驱动回路会被切断，则电机会关断。如果将IN1和IN2的电平状态单独改变，也会使电机的状态改变。

3.3 避障的实现

超声波传感器和红外传感器效果不好，船体使用毫米波雷达避障，单天线毫米波雷达可以探测多个障碍物的距离、速度数据。多天线毫米波可以在此之上输出障碍物的角度数为24 GHz，多天线的毫米波雷达波长约为13 m，可以避免无人船错把水汽和下雨天的水珠当成障碍物。通过多个不同的测量信道，设置不同波长，便可以分析出障碍物的大小、障碍物是否在水面上。无人船综合分析障碍的大小与位置，判断避碍模块是否需要响应，如果需要，无人船会急停或避障来躲避障碍。

在无人船船体外侧装舵机，并在该舵机上架设激光雷达。设计程序通过舵机匀速扫描截取，获得若干个等位置数的结果，来模拟无人船近前方障碍情况。数据传送回DSP核心供核心决断，辅助避障功能的实现。

3.4 基于光谱分析的多参数水质监测

无人船要着重解决光谱识别。本设计使用的方案是使用CCD摄像头来采集实时图像信号，将采集到的模拟视频信号通过A/D转换芯片转换为数字化图像，数字图像可以由DSP芯片识别和计算处理。从本质上来看，可以理解为通过输入设备采集到模拟信号对应的图像，离散去点，合理变换，转换为离散的数字信号[4]，将这些离散数字信号处理为二维向量矩阵，并以该形式传输回DSP核心控制单元中去。

二维向量矩阵由光谱仪经信道传入到DSP芯片。由DSP芯片和D/A转换器两者相互配合，D/A转换单元可以将DSP输出的数字化图像经过D/A转换，成为我们熟悉的摸拟信号量，送到显示单元便可以显示，原理如图2所示[5-6]。

图2 光谱分析多参数水质监测流程图

使用了连续宽光谱分析技术，不将被测对象作为离散的数据组，工作时会扫描整个水域，进行紫外可见波段的全光谱扫描，得到整体水样的光谱吸收图[7]，设定以吸光度、波长和时间为不同的变量来模拟连续光谱的模型，建立标准数据库，并上传至服务器，方便之后对水质进行检测，在线产生水体模型，测算水体整体质量，将数据传输回DSP核心，记录或发出警报。

采用的光谱仪具有密度小、占用的空间对无人船影响小、能进行精确的水质分析等各项优点[8]，经CDD摄像头准直系统色散分析聚焦成像，转交探测显示系统。无人船以微型光谱仪为检测器件，并基于朗伯比尔定律透射光谱分析法来进行设计，进行在线的物理预处理，通过一定反应辅助条件进行氧化消解，发生与之相对应的显色反应，形成可供DSP核心检测的物理光谱。由CDD镜头来测定波长，可以检测水质参数。检测过程如图3所示。

图3 光谱分析预处理流程图

4 系统调试

启动无人船，换为调试模式输入程序后，打开无人船，观察无人船电源指示灯是否点亮，如果没有被点亮的话要排查无人船是否接线正确，并且排查调整串口，防止下载错误。使用软件进行烧录时，应当先将无人船关闭再打开方可下载成功。用遥控器测试无人船在水中的移动功能，如前进后退、左转右转。观察无人船驱动模块的功能是否完整，检查多天线毫米波雷达。在船体前方水面和水下不同位置处放置障碍物，观察小船的移动情况，判断避障模块是否起作用。经过调试无人船的驱动模块和避障模块可以稳定发挥作用，接线正确，程序烧录也没有产生错误。

将无人船放置在水面上进行预模拟，观察小船是否能正常工作，测试小船的光谱分析水质功能。先测量标准的水样，然后和正确的数据进行对比。经反复校正，微型光谱仪使各项数据的最大误差在允许的范围。

在调试过程中出现了算法问题，在验证静态欧拉角时，进行了8组重复实验，其中1组数据正常，7组数据的其他角正常，但偏航角有一定偏差。在查阅资料后重新将磁力计和加速度计与陀螺仪的三轴重新校正对齐。再重新进行大量重复实验，偏航角的偏差大幅减小的同时没有出现新的问题，其他角的输出也均在正常的范围内，认为该问题解决。有极少数组因为实验地点周围磁场影响过大而仍有少量偏差，但已经不影响本设计的正常应用，故不再考虑。

5 结语

以DSP处理器为核心的基于光谱分析法的无人船水质在线检测技术能够节约传统基站水质检测的经费，缩短工作时长，大大提高工作效率，该研究在水质监测方面具有一定的参考价值。通过该研究，希望在水质检测方面，从一定空中平台研究的领域可以向水面研究的领域进行扩展，让稳定控制、数据传输、人机同步等技术得到进一步开发和利用。