(湖北三江船艇科技有限公司，湖北 孝感 432100)

傳統(tǒng)的水體環(huán)境監(jiān)測工作通常采用以下方法：①定點(diǎn)布放監(jiān)測設(shè)備并人工定期采集數(shù)據(jù)；②乘坐水上交通工具并攜帶監(jiān)測設(shè)備對水域中的某些特定點(diǎn)進(jìn)行測量。這2種方式都存在工作效率低、實(shí)時(shí)性差、人工成本高、無法對不適宜人員進(jìn)出的水域進(jìn)行監(jiān)測的缺點(diǎn)。為此，設(shè)計(jì)在多功能水體環(huán)境監(jiān)測水面無人艇，以體積小、重量輕、操作便捷、維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展方便為原則，從總體布置、船體結(jié)構(gòu)、無人控制系統(tǒng)等方面開展設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工作，并通過實(shí)際水域試驗(yàn)對該無人艇的基本性能[1-2]以及自主航行、自動(dòng)避障、水質(zhì)采樣與監(jiān)測、水體表觀光譜觀測等功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 總體技術(shù)指標(biāo)

該無人艇總體技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 艇體結(jié)構(gòu)

采用單體船型，相較于雙體船型，可提供更大的艙室空間，以搭載相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備。

如圖1所示，艏部甲板設(shè)置4G攝像機(jī)和避障傳感器，舯后安裝天線支架，氣象傳感器、天線、電動(dòng)絞車均置于支架上；艉部設(shè)置1臺(tái)2 kW的電動(dòng)舷外機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力，1臺(tái)直線電動(dòng)推桿作為舵機(jī)執(zhí)行器；用于固定水體表觀光譜觀測設(shè)備浮體的托架以預(yù)埋連接的方式固定于艉封板上，強(qiáng)度可靠、水密性好；水質(zhì)采樣探頭和水質(zhì)監(jiān)測傳感器探頭以防水螺母鎖定在固定于艉封板的支架上，水密良好。

表1 多功能水體環(huán)境監(jiān)測水面無人艇技術(shù)指標(biāo)

圖1 主要設(shè)備布置說明

一組鋰電池(25.6 V/220 Ah)安裝于艙內(nèi)靠后的位置，根據(jù)船體浮態(tài)情況移動(dòng)鋰電池位置來調(diào)整船體總重心；水質(zhì)采樣設(shè)備主機(jī)、水質(zhì)采樣存儲(chǔ)箱、自動(dòng)氣象及水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備主機(jī)、充電機(jī)均置于船艙內(nèi)；艙內(nèi)后端緊靠艙壁處為船體最低點(diǎn)，在該處設(shè)置自動(dòng)艙底泵以排出艙內(nèi)積水。

3 無人控制系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 艇載子系統(tǒng)

船載子系統(tǒng)是水面無人艇的控制核心，其可根據(jù)遙控器手動(dòng)控制無人艇的油門及航行方向；也可以接收岸基控制站通過無線數(shù)傳電臺(tái)下發(fā)的航行路徑及任務(wù)，并智能分析路徑命令序列；同步考慮當(dāng)前無人艇位置、方向信息，通過非線性預(yù)測及最優(yōu)化算法等人工智能算法計(jì)算出動(dòng)力系統(tǒng)的控制指令，控制水面無人艇的航向和航速；同時(shí)艇載子系統(tǒng)會(huì)解析任務(wù)載荷的命令序列，確保水面無人艇行駛到指定地點(diǎn)的時(shí)候能夠智能自動(dòng)完成所規(guī)劃的任務(wù)[3]。

在自主航行過程中，艇載子系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)探測障礙物并采用改進(jìn)蟻群算法進(jìn)行自主避障操控[4]，操控人員僅需進(jìn)行簡單的狀態(tài)監(jiān)控。

在水面無人艇的安全控制方面，除采用傳統(tǒng)的提高艇載軟硬件系統(tǒng)的可靠性、故障檢測監(jiān)控與隔離技術(shù)、多重安全防護(hù)措施等方法提高水面無人艇的安全性之外，還采用了一種基于航行安全區(qū)域的控制手段，以解決水面無人艇失控駛出航行安全區(qū)域后對水面無人艇自身及岸基或水面設(shè)施帶來的安全威脅問題，進(jìn)一步提高水面無人艇的航行安全[5]。

艇載無人控制系統(tǒng)內(nèi)部通信體系采用CAN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及各任務(wù)載荷的控制單元均通過CAN網(wǎng)絡(luò)與主控制器進(jìn)行通信，便于系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，同時(shí)提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

水面無人艇航行過程中所有的狀態(tài)信息(如位置、航行軌跡、電池電壓，航行速度等信息)都通過無線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送給岸基控制站，同時(shí)通過4G通信將這些信息發(fā)送回指揮大廳。

艇載無人控制系統(tǒng)構(gòu)架見圖2。

圖2 艇載無人控制系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 岸基地面站與遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

岸基地面站子系統(tǒng)作為整個(gè)水面無人艇系統(tǒng)作業(yè)現(xiàn)場的指揮中心，集控制、作業(yè)、通信、處理于一體的綜合控制體[6]。其控制內(nèi)容包括：水面無人艇的航行過程、航行航跡、數(shù)字地圖、載荷業(yè)務(wù)控制、數(shù)據(jù)鏈路的維護(hù)以及水面無人艇的出發(fā)和回收控制。

為了適應(yīng)野外及應(yīng)急突發(fā)事件的需要，岸基地面站外殼采用三防工業(yè)級(jí)安全箱，集成所有岸基地面站所需的電控設(shè)備。三防箱采用新型工程塑料，箱體抗強(qiáng)力沖擊，防水特性達(dá)到IP65。

遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)僅包含軟件部分，是在地面站控制軟件的簡化版本，只具有監(jiān)視功能，不具有遠(yuǎn)程控制功能，軟件可以安裝在控制中心能夠上網(wǎng)的電腦上面。該系統(tǒng)使用虛擬串口技術(shù)，通過4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與水面無人艇進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，所以系統(tǒng)環(huán)境需保證網(wǎng)絡(luò)的接入速度與質(zhì)量。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面見圖3。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件界面

4 水上試驗(yàn)

試驗(yàn)在湖北荊州洪湖進(jìn)行。

4.1 性能試驗(yàn)

水面無人艇在載荷60 kg時(shí)測量主要參數(shù)為：最高航速6.4 km/h，巡航速度航行續(xù)航時(shí)間244 min，有效通信范圍5.2 km。

4.2 自主航行試驗(yàn)

根據(jù)需要在地面站軟件上設(shè)置所需數(shù)量的航點(diǎn)，航點(diǎn)間距任意。通過無線數(shù)傳電臺(tái)將設(shè)置好的命令下發(fā)給水面無人艇艇載子系統(tǒng)，艇載子系統(tǒng)解析指令后控制水面無人艇進(jìn)行自主航行。無人艇的實(shí)際航跡見圖4。由圖4可以看出，水面無人艇實(shí)際航跡與規(guī)劃路徑的重合度良好。

圖4 水面無人艇實(shí)際航跡

4.3 避障功能試驗(yàn)

避障功能測試與自主航行測試同步進(jìn)行。湖面上原先放置多個(gè)浮筒，無人艇的航行線路的前方出現(xiàn)了一個(gè)浮筒障礙物(見圖5)。在探測到該浮筒后，無人控制系統(tǒng)執(zhí)行避障算法，控制無人艇進(jìn)行避障機(jī)動(dòng)，當(dāng)判斷到已經(jīng)避開浮筒障礙物后，無人艇繼續(xù)向目標(biāo)航點(diǎn)航行,見圖6。

圖5 無人艇航行前方出現(xiàn)浮筒障礙物

圖6 無人艇繞過浮筒障礙物繼續(xù)航行

4.4 水質(zhì)監(jiān)測試驗(yàn)

從水面無人艇開機(jī)到關(guān)機(jī)全過程持續(xù)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。通過安裝于天線架上的氣象傳感器和安裝在固定于艉封板的支架上的水質(zhì)監(jiān)測傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測大氣壓力、大氣溫度、大氣濕度、水溫、水溶解氧、水PH值、濁度、葉綠素、鹽度、電導(dǎo)率、TDS等參數(shù)。水質(zhì)監(jiān)測控制模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后將結(jié)果通過CAN總線發(fā)送給4G網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，通信設(shè)備將這些數(shù)據(jù)發(fā)送回地面站和控制中心顯示并存儲(chǔ)。所發(fā)送的數(shù)據(jù)還包含經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)和時(shí)間戳，這是通過GPS模塊實(shí)時(shí)獲取的。

4.5 水質(zhì)采樣試驗(yàn)

根據(jù)水質(zhì)采樣的相關(guān)行業(yè)要求，水面無人艇到達(dá)采樣點(diǎn)后，控制系統(tǒng)控制采水探頭自動(dòng)下降到水面以下約50 cm的位置，并自動(dòng)執(zhí)行采集前管路預(yù)淋洗，采集后自動(dòng)排空管路等功能，以保證采集到具有代表性的樣品[7]。

所配備的采樣設(shè)備具備多種采樣程序啟動(dòng)方式：預(yù)設(shè)時(shí)間啟動(dòng)、外部信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)、超標(biāo)留樣啟動(dòng)、即時(shí)啟動(dòng)、液位超標(biāo)觸發(fā)啟動(dòng)；以及多種采樣程序：定時(shí)定量采樣、定流定量采樣、流量比例采樣、液位比例采樣、即時(shí)定量采樣等。主控制器通過CAN通信接口與采樣設(shè)備通信，在自主航行時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)控制采樣設(shè)備執(zhí)行水質(zhì)采樣工作。

4.6 漂浮式水體表觀光譜觀測試驗(yàn)

水體表觀光譜觀測設(shè)備實(shí)物見圖7，是一套基于直接離水輻亮度觀測方法的(原理如見圖8)、小型化、智能化、漂流光學(xué)浮標(biāo)式、直測法原位表觀光譜觀測設(shè)備。該設(shè)備采用高性能的工業(yè)級(jí)處理器，集成兩套獨(dú)立的高光譜輻射測量模塊，實(shí)現(xiàn)直接離水輻亮度和太陽入射輻照度的同步測量，獨(dú)有的小型探頭、大直徑的環(huán)形漂流浮標(biāo)和模塊化的組件設(shè)計(jì)可降低漂流光學(xué)浮標(biāo)本體自陰影的影響。同時(shí)該設(shè)備集遠(yuǎn)程控制、光譜自動(dòng)采集、積分時(shí)間自動(dòng)調(diào)整以及同步記錄姿態(tài)、GPS等功能于一體，為用戶提供便捷、友好的操作體驗(yàn)。

圖7 漂浮式水體表觀光譜觀測設(shè)備

圖8 直接離水輻亮度觀測方法原理

根據(jù)所需光譜觀測的位置，通過地面站軟件設(shè)置航點(diǎn)并加載光譜測量的任務(wù)，然后下發(fā)給艇載無人控制系統(tǒng)，由艇載無人控制系統(tǒng)控制水面無人艇自主航行，到達(dá)測量點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)控制絞車設(shè)備將水體表觀光譜觀測設(shè)備釋放出來并遠(yuǎn)離船體10～15 m，以免無人艇的陰影對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

相比傳統(tǒng)水體環(huán)境監(jiān)測方法，多功能水體環(huán)境監(jiān)測水面無人艇可在自主航行時(shí)，自動(dòng)完成相應(yīng)的監(jiān)測、采樣、分析等工作，并通過無線數(shù)據(jù)鏈路將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給控制基站顯示并存儲(chǔ)，在自動(dòng)化作業(yè)程度、工作效率、實(shí)時(shí)性等方面具有突出的優(yōu)勢。

無人控制系統(tǒng)采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，控制器、傳感器、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器均通過CAN總線連接，布線簡潔、維護(hù)方便、便于系統(tǒng)擴(kuò)展。

無人艇采用鋰電池組作為整艇的主電源，鋰電池組的容量就成為該無人艇作業(yè)時(shí)間受限的瓶頸。后續(xù)應(yīng)對船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備艙的布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提供更大的空間，布置容量更大的鋰電池組，延長無人艇的作業(yè)時(shí)間。