劉玉良，陶良明，董 平，劉宏升，毛俊仁，許明樂(lè)，劉金椅

(1. 浙江海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省舟山中學(xué) 科技創(chuàng)新中心，浙江 舟山 316001；3. 溫州理工學(xué)院 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035；4. 舟山商文機(jī)器人科技有限公司，浙江 舟山 316106)

近年來(lái)，隨著工業(yè)污染及生活垃圾排放、海洋漁業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模過(guò)度增加，近海海域水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，海水溫度、溶解氧、pH值等參數(shù)不斷偏離正常范圍[1]，給養(yǎng)殖業(yè)等造成了巨額損失，因此需要對(duì)海水進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)和治理。目前海水采集以人工為主，一般為乘小船到現(xiàn)場(chǎng)采集，需要的人力物力較多，而且采集海水時(shí)覆蓋面積小、效率低，部分水域還面臨風(fēng)大浪急、乘船觸礁擱淺等危險(xiǎn)[2]。目前，我國(guó)只有少部分海域啟動(dòng)了海水自動(dòng)檢測(cè)模式，即把海水采樣監(jiān)測(cè)設(shè)備固定在漁場(chǎng)的特定地點(diǎn)，一定程度上體現(xiàn)了自動(dòng)化特點(diǎn)[3]，但是仍存在采樣覆蓋范圍小、采集地點(diǎn)變動(dòng)不靈活等缺陷。用無(wú)人機(jī)參與海水采集能夠充分發(fā)揮其便捷、靈活、高效等優(yōu)勢(shì)[4]，為解決上述問(wèn)題提供了新思路。無(wú)人機(jī)在陸上環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用，積累了不少經(jīng)驗(yàn)，為無(wú)人機(jī)在海水采集領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了重要借鑒[5]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，一些地方已經(jīng)嘗試研制基于無(wú)人機(jī)的海水采集設(shè)備，但大多數(shù)是在無(wú)人機(jī)上掛載水瓶、水桶等簡(jiǎn)陋設(shè)備，密封性不好，很容易使海水樣品在轉(zhuǎn)移過(guò)程遭受二次污染，從而導(dǎo)致海水化驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)[6]；另外，現(xiàn)有的設(shè)備使用了舵機(jī)、連桿、彈簧、閥門、水泵等，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體形笨重[7-8]，運(yùn)動(dòng)不靈活，可靠性也不高。基于此背景，本文研制了新型海水采集裝置，依托無(wú)人機(jī)升降及控制裝置完成海水采集任務(wù)，重點(diǎn)解決近海海域海水采集的準(zhǔn)確性、靈活性等關(guān)鍵問(wèn)題，旨在提高我國(guó)近海海域海水檢測(cè)自動(dòng)化水平。

1 海水采集系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的海水采集系統(tǒng)適用于近海海域，包括上位機(jī)和下位機(jī)，即無(wú)人機(jī)平臺(tái)和海水采集裝置，總體方案如圖1所示。圖1中無(wú)人機(jī)平臺(tái)包括單片機(jī)、無(wú)人機(jī)本體及飛行控制器、電動(dòng)絞盤、步進(jìn)電機(jī)、獨(dú)立電源等，設(shè)置獨(dú)立電源是為了確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定；海水采集裝置包括單片機(jī)、海水采集管、雙頭采集針、推桿電機(jī)、防水設(shè)備等，總體方案如圖2所示。海水采集裝置細(xì)分為海水采集管、雙頭采集針、控制器及通信設(shè)備等；海水采集管內(nèi)部初始狀態(tài)是真空或負(fù)壓；雙頭采集針是由軟膠管相連的內(nèi)針頭和外針頭；外針頭固定在采集裝置外部下方，內(nèi)針頭固定在采集裝置內(nèi)部且初始位置跟采集管的密封橡皮圈對(duì)準(zhǔn)。海水采集裝置的內(nèi)針頭刺入采集管時(shí)，由于負(fù)壓原理海水將從外針頭沿著軟膠管進(jìn)入采集管；當(dāng)內(nèi)針頭從橡皮圈拔出時(shí)，海水采集管將與外界自動(dòng)隔離而停止采集海水，滿足海水采集的密封性要求。

圖1 海水采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖2 海水采集裝置的結(jié)構(gòu)、外觀和截面圖

海水采集系統(tǒng)工作時(shí)，無(wú)人機(jī)平臺(tái)完成海水采集裝置的輸送與升降，而海水采集裝置完成海水采集的啟動(dòng)與停止。設(shè)計(jì)要求是無(wú)人機(jī)平臺(tái)能夠在目標(biāo)海域上方懸停，接到命令后將海水采集裝置下降到海面，等待海水采集任務(wù)結(jié)束后，把采集裝置提升并固定在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，然后攜帶海水采集裝置飛回到陸上的海水化驗(yàn)中心。海水采集裝置收到由上位機(jī)下達(dá)的海水采集命令后，通過(guò)推桿電機(jī)推動(dòng)針頭前移，扎破負(fù)壓采集針管的頂封橡皮圈而吸入海水。本文采集海水的動(dòng)作命令由傳感器觸發(fā)，采集量達(dá)到要求后，傳感器觸發(fā)下位機(jī)發(fā)出結(jié)束采集的命令請(qǐng)求，然后由上位機(jī)反饋信號(hào)以控制推桿電機(jī)反轉(zhuǎn)，將采集針頭從采集針管的橡皮圈拔出，從而停止采集海水并使采集管自動(dòng)密封。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2. 1 海水采集裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

本文的海水采集裝置設(shè)計(jì)借鑒醫(yī)學(xué)注射器的負(fù)壓抽取原理，分為前端、中部和尾端3部分。工作時(shí)前端朝下，尾端朝上。前端由前蓋和采集管構(gòu)成（圖3），在前蓋上預(yù)留一個(gè)小孔，目的是使雙頭采集針外針頭正好穿過(guò)前端而向下伸入海水。后端包括后蓋和電池（圖4），后蓋底端的凹槽為固定11.5 V鋰離子電池的位置，推桿電機(jī)及電池導(dǎo)線等均放于后蓋。

圖3 前端結(jié)構(gòu)

圖4 后端結(jié)構(gòu)

海水采集裝置的中間部分為核心部分，如圖5所示，具體包括中蓋、圓柱體夾具、推桿電機(jī)等。中蓋上小孔跟前蓋配合，為采集針刺穿采集管提供通道；中蓋上預(yù)留的凹槽是為嵌入推桿電機(jī)預(yù)留的位置。本文的推桿電機(jī)相電阻為7.5 Ω，相電流0.5 A，工作電壓12 V。安裝時(shí)，先將雙頭采集針的內(nèi)針頭固定在推桿電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，再將推桿電機(jī)放入中蓋的凹槽，最后將雙頭采集針的外針頭從中蓋的小孔穿出，伸到前端，便于由其前蓋的小孔伸入海水。

圖5 中間部分的結(jié)構(gòu)

2.2 電動(dòng)絞盤的機(jī)械設(shè)計(jì)

絞盤作為升降控制系統(tǒng)的核心組件，其原理是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)借助繩索使物體位置提升或降低，按照動(dòng)力方式可分為液壓絞盤、氣動(dòng)絞盤、電動(dòng)絞盤等。本文由于升降力不大，同時(shí)考慮到安裝及控制的簡(jiǎn)便化要求，選用了電動(dòng)絞盤，其盤座、連接件等采用3D設(shè)計(jì)和打印，如圖6所示。

圖6 無(wú)人機(jī)與電動(dòng)絞盤連接示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的控制任務(wù)包括無(wú)人機(jī)飛行控制、海水采集裝置升降控制、海水采集啟停控制等。其中，無(wú)人機(jī)飛行控制借用了無(wú)人機(jī)平臺(tái)的自帶功能，具體工作是無(wú)人機(jī)通信協(xié)議的研究與編程實(shí)現(xiàn)；而海水采集裝置升降控制和海水采集啟?？刂?，本文以單片機(jī)arduino promini為硬件核心，應(yīng)用TB6612電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，分別控制無(wú)人機(jī)上電動(dòng)絞盤的步進(jìn)電機(jī)和海水采集裝置的推桿電機(jī)。本文的遙控終端應(yīng)用樂(lè)迪AT9S型號(hào)航模遙控器，由它發(fā)出電動(dòng)絞盤升降控制和海水采集啟停控制的原始指令。原始指令通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的開(kāi)放通道進(jìn)行通信，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)zigbee無(wú)線串口模塊通信。為便于軟件升級(jí)、安裝調(diào)試，本文控制系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，如圖7所示。

圖7 升降控制和采集控制原理圖

3.1 控制方案簡(jiǎn)述

無(wú)人機(jī)控制的特點(diǎn)是：要求電機(jī)啟動(dòng)、停止、升降、轉(zhuǎn)向等能夠快速響應(yīng)，而且要求電機(jī)體積小、力矩大、質(zhì)量輕、抗干擾能力強(qiáng)、輸出穩(wěn)定等。本文權(quán)衡后選用步進(jìn)電機(jī)，理由是盡力避免電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)吊起的裝置滑落，另一理由是步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)僅由數(shù)字輸入脈沖確定，支持開(kāi)環(huán)控制，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且控制成本低。本文采用了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，一個(gè)是固定在無(wú)人機(jī)上的4相5線制電機(jī)，用來(lái)控制絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)即控制升降；另一個(gè)是微型2相4線制推桿電機(jī)，通過(guò)推桿的直線運(yùn)動(dòng)控制海水采集的啟與停。

3.2 控制軟件設(shè)計(jì)

本文的控制器Ardunio Pro Mini單片機(jī)只有單個(gè)串口，給通信和燒錄切換帶來(lái)不便，因此使用Software Serial庫(kù)模擬串口通信。為提供編程效率，使用Arduino的內(nèi)置步進(jìn)電機(jī)控制庫(kù)函數(shù)step( )，編程時(shí)僅需配置引腳和脈沖頻率。無(wú)人機(jī)遙控器上還有可用的舵機(jī)接口，本文通過(guò)此接口給無(wú)人機(jī)發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)絞盤步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。電機(jī)控制基于脈寬調(diào)制PWM原理，無(wú)人機(jī)上舵機(jī)引腳與單片機(jī)I/O口相連，讀取I/O口一個(gè)舵機(jī)基準(zhǔn)信號(hào)周期的高電平占比，再判定高電平占比從而控制電機(jī)工作。本文的通信主機(jī)為無(wú)人機(jī)平臺(tái)，其作用為讀取遙控器發(fā)射的舵機(jī)信號(hào)，控制絞盤電機(jī)收放絞盤和發(fā)射狀態(tài)碼給下位機(jī)，下位機(jī)的作用是接受主機(jī)發(fā)送的狀態(tài)碼，控制海水采集裝置的推桿電機(jī)，完成海水采集的控制。軟件流程如圖8所示。

圖8 海水采集系統(tǒng)的軟件流程圖

4 海水采集實(shí)驗(yàn)

海水采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組裝起來(lái)后，上位機(jī)尺寸尺度大約400 mm × 400 mm × 440 mm，重量1.654 kg；下位機(jī)尺度約為200 mm × 200 mm × 300 mm,重量0.654 kg；功耗為1 500 mAh；無(wú)人機(jī)型號(hào)為S500四軸無(wú)人機(jī)pixhawk。實(shí)驗(yàn)時(shí)間天氣條件均為陰天和多云，東南風(fēng)或西南風(fēng)5級(jí)以下，海浪高度0.1 m以下。課題組完成上位機(jī)和下位機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)之后，應(yīng)用KeyShot軟件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，如圖9(a)所示。計(jì)算機(jī)仿真通過(guò)后，在浙江海洋大學(xué)智能機(jī)器人研究所進(jìn)行了模塊制作、組裝，如圖9(b)所示。然后進(jìn)行室內(nèi)調(diào)試和浙江海洋大學(xué)校園內(nèi)的調(diào)試，最后在舟山長(zhǎng)峙島附近海域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和改進(jìn)后的再次測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，利用控制器面板上設(shè)有的遙控和自控切換按鈕，支持遙控和自控操作，保證安全性和便利性。同時(shí)采用緊湊型四旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，保證體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，便于后續(xù)推廣。測(cè)試結(jié)果表明，采集過(guò)程無(wú)人機(jī)能夠穩(wěn)定飛行和懸停在海域上空，扣除無(wú)人機(jī)往返飛行等裝備時(shí)間，采集5 mL海水平均用時(shí)15 s。借助無(wú)人機(jī)平臺(tái)，能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)海水采集設(shè)備的下吊、提升以及采集后海水采集設(shè)備在無(wú)人機(jī)上位置的固定；系統(tǒng)的續(xù)航能力為滿載飛行時(shí)間10 min和遙控工作范圍1.1 km。

圖9 海水采集實(shí)驗(yàn)裝置

5 結(jié) 論

本文提出了基于無(wú)人機(jī)的新型海水采集方案，完成了上位機(jī)和下位機(jī)的設(shè)計(jì)、集成與測(cè)試，其中上位機(jī)控制支持遙控和自控兩種方式。本文重點(diǎn)完成了海水采集設(shè)備的設(shè)計(jì)，該設(shè)備基于負(fù)壓原理，保證海水采集的密封性即海水檢測(cè)的準(zhǔn)確性要求。最終改進(jìn)后的系統(tǒng)在舟山海域單個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行了5次測(cè)試，均取得了成功。目前存在的主要問(wèn)題是無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間不夠長(zhǎng)、飛行抗風(fēng)性不夠強(qiáng)等問(wèn)題，因此課題組將繼續(xù)改進(jìn)海水采集裝置，以提高海面風(fēng)浪增加后的工作適應(yīng)性。目前由于設(shè)備尺寸及配重所限，只適應(yīng)于浪高0.1 m以下的微浪，能夠在大浪環(huán)境下穩(wěn)定采集海水的第二代樣機(jī)，將是下一步的研究任務(wù)。課題組還將更換大容量采集針管，并嘗試在多個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，研究采集點(diǎn)位置切換時(shí)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和靈活性，以及引進(jìn)機(jī)器視覺(jué)和智能控制算法[9-10]，以進(jìn)一步提高海水采集系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。