面向地表水水质监测的无人船系统设计与实现＊

吴述园，朱红生，费晓昕，马志坚，唐 萌

(1.中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005；2.南京理工大学自动化学院)

0 引言

随着我国城镇化与工业化进程的加速，水环境的保护面临着严峻的压力。水质监测是保护水环境的重要举措，通过检测水体中所含污染物的种类、含量及其变化趋势，对水体质量状况进行评价，进而为水环境的治理提供数据基础。

目前常用的水质监测方法主要有人工取水、浮标监测和建立监测站三种。人工取水主要是使用船只搭载监测人员与监测设备，前往监测点采集水样并送往实验室进行检测。人工取水精度高、指标全，但只适用于开阔水域，采样密度和效率均较低，数据需人工记录，且无法把水质数据与地理位置数据准确关联。浮标监测是利用传感器和物联网技术采集并发送数据，能够实现固定点水质的全天候监测。该方法也仅能监测特定点的数据，灵活性欠佳。监测站在数据测量的精度、广度等方面更胜一筹，但在造价、维护成本及对人工需求度等均较高。而智能化技术的迅猛发展为水质监测提供了新的解决途径。

针对上述方法存在的局限性，本文设计并实现了一套基于智能无人船的水质监测系统，分为无人船子系统、通信子系统和岸基子系统三部分。无人船子系统包括船体选型设计、动力部分元器件选型和设计等；通讯子系统基于4G模块搭建通讯网络，作为无人船和岸基子系统通讯的桥梁；岸基子系统负责对无人船做路径规划。实验表明，该系统操控性好、数据采集灵活度高、数据管理方便，满足水质监测需求。

1 系统整体设计方案

本方案以Pixhawk4 作为控制板，并对船体结构和相关元器件进行设计和选型，实现了一款可以自动巡航或遥控巡航方式航行的无人船，能够搭载多种水质传感器采集目标水域水质数据，并基于4G技术搭建通信子系统，为无人船和岸基子系统之间提供控制信号和数据的传输。岸基子系统由地面站软件Mission Planner 软件和数据管理软件构成，前者实现了对检测点路线的规划，后者则对数据进行存储、显示、检索等管理操作。系统整体结构图及系统硬件结构图如图1和图2所示。

图1 系统整体结构图

图2 系统硬件结构图

2 无人船船体子系统的构建

2.1 船体设计指标

针对实际水质监测需求，需要考虑以下因素：

⑴作为水质检测传感器的载体，内部应当预留足够的空间以便用来放置各种传感器和元器件；

⑵船体材质应当满足在小型碰撞下不变形，长时间在水中行驶不渗水且船体重量应尽可能轻便的特点；

⑶易于操控且便于后期扩展。

结合以上因素，对无人船设计提出了以下指标及要求，如表1所示。

表1 船体与动力模块设计指标要求

2.2 无人船船体选型

根据上述要求，首先对船体及其材料进行选型。目前市面上主流的船体形状分为单体式和双体式，单体式船船体构造简单，技术成熟，密封性好，但内部空间小，不能放置过多的元器件；双体式由两个的船体通过连接仓连结而成，结构相对复杂，但其内部空间大，能够装载更多设备，且稳定性和操控性更好。

综合分析，本设计选用结构相对简单的单体式船体，材质选用聚乙烯材质，便于后续对船体进行改装以便增添器件，船体如图3所示。

图3 无人船船体图

2.3 无人船的主控板及动力单元

主控板作为接受和发送航行指令、控制无人船航行的核心，在整个无人船系统中扮演者十分重要的角色。本设计采用Pixhawk4 控制板，因其拥有32 位STM32F765FPU 处理器芯片、非常丰富的硬件接口，如图4所示。

图4 Pixhawk4主控板的接口

为了满足无人船在复杂水域作业的要求，本课题对无人船的动力系统进行了设计。关于推进方式的选择，比较了差速驱动和涵道式驱动两种单体式无人船主流的推进方式，考虑到船体前进、后退和转向等操控的灵活性，结构的复杂度与经济性等因素，最终采用螺旋桨差速驱动的方式。

此外，因无人船作为移动平台，需为业务预留4公斤载重裕度，通过前期对船体进行数学建模分析，综合载重推算出需要的推力，从而确定电机和电调参数。本设计选用的两个直流无刷电机，实际巡航速度下功率为80W～120W，峰值电流为时52A，通过Pixhawk4控制板输出的PWM 信号进行控制。根据上述直流无刷电机的型号，选取合适的电子调速器，所选的电调输出峰值电流为70A～80A，电调电压范围为7.4V～24V。此外，根据系统器件的总功率和航行时间计算电池容量，本设计采用单个容量为5300mAh 的锂电池组，额定电压为22.2V，所选取的元器件如图5所示。

图5 动力单元元器件

3 通讯子系统设计

通信子系统负责将操控无人船的地面站子系统中的控制信息发送给无人船，并将无人船上采集的水质信息发送至地面站。无人船在目标水域航行，检测环境可能会存在信号差、电磁干扰等不利条件，所以选用合适的通讯方式极为重要。综合考虑后，本设计采用华为4G模块作为信号的收发器。

在传输数据过程中，为了实现对通讯数据大批量、快速处理和传输，仅仅依靠传统的TCP/IP 的协议不能满足课题需要，本课题引入MAVLINK通讯协议，对数据进行处理、加密，经由4G 模块在局域网内经行转发，对端接收后对加密信息进行解密和处理，从而获得所需要的信息。MAVLINK消息帧格式如图6所示。

图6 消息格式

由数据的传输方式可知，无人船和地面站需要在同一个局域网内进行数据的双向传输，因此构建安全稳定的局域网是保证数据通讯可靠传输的前提。利用FRP 反向代理技术，将私网IP 替换成公网IP，利用组网技术，通过租借阿里云的服务器，将无人船和Mission Planner 地面站组建到一个局域网内，保证二者之间可靠通讯。

4 地面站子系统

地面站子系统运行于上位机端的软件，其功能包括：显示无人船子系统的状态信息、控制无人船子系统的运行、调试设置无人船子系统，以及规划航线等。本设计选用开源的地面站Mission Planner，并在其基础上进行二次开发。

地面站子系统分为控制主窗口、航线规划主窗口和调试设置主窗口三部分，具体功能如下：

⑴控制主窗口如图7所示，用于实时动态显示无人船子系统运行信息，由运行状态子窗口、运行位姿子窗口，以及通信连接子窗口等组成。运行信息主要由无人船子系统的位姿信息和状态信息，以及摄像头拍摄的视频信息组成。运行状态子窗口用于显示无人船子系统运行信息和摄像头拍摄的视频信息。运行位姿子窗口将无人船子系统运行轨迹匹配地图显示。通信连接子窗口用于连接无人船子系统。

图7 控制主窗口

⑵航线规划主窗口如图8所示，主要用于规划航线，以及将航线发送至无人船子系统。其主要由航线规划地图子窗口与航点信息子窗口组成。其中航线规划地图子窗口可以直接使用上面的地图点击设置航点，进行航线规划，完成后将航线信息保存为JSON格式，并发送给无人船子系统。航点信息子窗口用于显示航点信息，以及可以设置无人船子系统运行到航点时的模式。

图8 航线规划主窗口

⑶调试设置主窗口如图9所示，主要由调试子窗口与设置子窗口组成。调试子窗口用于无人船子系统运行调试，其中提供了速度、转向、航迹等多种调试模式。设置子窗口用于设置无人船子系统各项参数。

图9 调试设置主界面

5 系统的安装及测试

5.1 无人船安装及测试

安装过程中首先要保证船体内部布局合理，并为水质检测设备预留空位，并确保船体密封良好，元器件焊接牢固。首次试航采用DS18B20 温度传感器作为测试数据采集与传输的工具，无人船安装示意图如图10所示。

图10 无人船安装示意图

为了测试所设计的无人船在实际环境下的航行效果，本实验选定人工湖进行了航行试航。

实验结果表明，船体航行稳定，速度适中，满足设计要求，试航过程如图11所示。

图11 无人船航行试验

5.2 地面站子系统及其测试

地面站是运行于上位机的软件，用于对无人船进行远程操控，设置巡航路线，通过通信子系统与无人船进行数据和控制命令的交换。本课题采用开源的Mission Planner 地面站，实现了无人船自主航行模式下的航行路线规划。

此外，通过主控板外接摄像头，可将获取的环境图像通过通信子系统发回地面站，进行显示，进而可实现基于图像处理的自动避障，或由操纵者切换成手动模式进行控制，以保证无人船的航行安全。地面站测试如图12 所示，其中可见无人船运行图像、相关参数及摄像头回传的视频等信息。

图12 地面站测试

6 结束语

本文研究了无人船的现状，针对传统湖泊、河流开展检测工作受环境条件影响过大的难题，设计制作了一款可搭载多台检测设备的无人船。实验包含了船体的设计，控制板的选型以及元器件的安装焊接，最后完成了船体实地调试。实验结果良好，船体航行稳定，实现了既定目标，为复杂河流、湖泊勘探及水质分析提供了一种新的解决方案。后续期待更换较大的船体以携带更多的设备对水体进行更全面的监测。