一種用于水質(zhì)監(jiān)測的無人機研究

引言

在傳統(tǒng)的檢測方法中,人工監(jiān)測需要勘查員到實地采樣,同時要求攜帶檢測設(shè)備到指定地點抽取水樣后,直接使用儀器檢測水質(zhì)或取回化驗得出結(jié)果,該方法所測量水域的范圍較小,靈活性低,同時惡劣的測量環(huán)境危害人體健康。使用無人船進行水質(zhì)監(jiān)測的過程中,可能會出現(xiàn)無人船受行駛路線上的大量水面障礙物阻攔導(dǎo)致無法到達監(jiān)測地點的情況。同時,用于水質(zhì)監(jiān)測的無人船遇到急速水流會導(dǎo)致返航困難,存在丟失的隱患。水上無人機是無人機中的一個分支,在水環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域采用水上無人機,能有效提高水環(huán)境監(jiān)測的效率并降低工作風(fēng)險,幫助環(huán)保部門做出最合理的決策。由于無人機具有控制空間大、效率高、成本低與安全等優(yōu)勢,其非常適用于水質(zhì)監(jiān)測。本文首先對水質(zhì)監(jiān)測中無人機的性能需求進行分析,然后提出水質(zhì)監(jiān)測無人機的結(jié)構(gòu)設(shè)計,最后對其系統(tǒng)進行搭建。

1水質(zhì)監(jiān)測中無人機的性能要求

1.1控制范圍

水質(zhì)監(jiān)測地點通常地形復(fù)雜,勘查員往往難以到達相近的檢測地點,因此需要水質(zhì)監(jiān)測無人機具有更廣的飛行范圍,能夠讓勘查員無需到達檢測地點,在監(jiān)測點周圍區(qū)域也能順利檢測出目標水質(zhì)的情況。

1.1無人機載荷

考慮到水質(zhì)監(jiān)測無人機在不同的工作任務(wù)中可能需要承載更多的負荷如水質(zhì)檢測儀器或水質(zhì)采集儀器,同時這些儀器有可能需要搭載獨立的電源,因此無人機設(shè)計載荷要大。

1.2續(xù)航能力

無人機在完成整個水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)時,有尋點飛行、水質(zhì)采樣、水質(zhì)分析、返航等基本過程;在特殊情況下,還會有多點監(jiān)測、監(jiān)測異常導(dǎo)致的反復(fù)監(jiān)測等要求。故無人機要順利完成這些過程,則必須具有足夠長的續(xù)航時間。

1.3耐腐蝕性

監(jiān)測水域通常是被污染的水域,水域的強酸、強堿環(huán)境有可能會腐蝕無人機,導(dǎo)致其零部件損壞,嚴重時會影響無人機系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)調(diào)工作,導(dǎo)致其失去控制,無法完成任務(wù)與返航。

1.4飛行穩(wěn)定性

在水質(zhì)監(jiān)測的過程中,無人機通常是低空飛行,低空飛行中遇到的氣流比較復(fù)雜,導(dǎo)致無人機姿態(tài)難以控制。同時,在水質(zhì)分析時,無人機需要保持穩(wěn)定的靜止狀態(tài),水質(zhì)分析儀才能正常完成工作,因此無人機在水質(zhì)監(jiān)測中需要較高的飛行穩(wěn)定性。

2機構(gòu)設(shè)計

無人機主要可分為固定翼無人機、單旋翼無人機及多旋翼無人機三類。固定翼無人機的優(yōu)勢是續(xù)航時間長、載荷大、速度快,但需要滑行一段時間才可以起飛。單旋翼無人機的優(yōu)勢是可以垂直升降,空中懸停,但續(xù)航時間短,機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操控困難,飛行慢。多旋翼無人機的優(yōu)勢是可以垂直起降,空中懸停,操控簡易,操作方便,組裝簡單;但續(xù)航時間短,飛行速度慢。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測的實際需求情況,最適合用于水質(zhì)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)是多旋翼無人機。

水質(zhì)監(jiān)測無人機機構(gòu)分為無人機主體機構(gòu)與水質(zhì)檢測機構(gòu),兩機構(gòu)通過電纜連接,結(jié)構(gòu)如圖1所示。無人機主體機構(gòu)包括機架、電機、電調(diào)器、螺旋獎、控制板、GPS定位器、供電電源?？刂瓢逶O(shè)置于機架下方,連接四個電調(diào)器,同時每個電調(diào)器與電機連接,每個電機的輸出軸安裝有一個螺旋獎,電機呈"×"形固定在機架四周;GPS定位器設(shè)置于機架上方,與控制板連接;供電電源為鋰電池組,電壓為22.8V,電容量為5700mAh,設(shè)置于機架下端的外殼內(nèi),鋰電池組中電量能使無人機續(xù)航時間達到40min,足以完成水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)。水質(zhì)檢測機構(gòu)包括設(shè)置于無人機機構(gòu)上的水質(zhì)檢測儀器、電纜、探頭,水質(zhì)檢測儀器通過電纜與探頭連接。無人機機構(gòu)的機架外殼采用耐腐蝕的不銹鋼材料。

工作原理是無人機主體機構(gòu)搭載水質(zhì)檢測機構(gòu),在無人機主體機構(gòu)的飛行運送下,將水質(zhì)檢測機構(gòu)輸送至待檢測區(qū)域上方,無人機主體機構(gòu)保持靜止姿態(tài),探頭探入待檢測水質(zhì)中,水質(zhì)檢測儀器對探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析及記錄,無人機主體機構(gòu)再將水質(zhì)檢測機構(gòu)帶回至預(yù)設(shè)地點,完成水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)。該機構(gòu)解決了現(xiàn)有技術(shù)中檢測范圍受限、檢測成本較高及檢測準確率較低等問題,具有反應(yīng)迅速、靈活機動、高效穩(wěn)定、監(jiān)測成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點。

3系統(tǒng)設(shè)計

無人機控制方式分為完全離線飛機與半離線飛機,完全離線飛機不與地面系統(tǒng)進行交互,自動完成飛行任務(wù),并在執(zhí)行完任務(wù)后自動返航或在指定地點降落:半離線飛機在執(zhí)行飛行任務(wù)時,由地面系統(tǒng)進行指令控制,人工遙控其飛行,并在緊急情況下執(zhí)行地面系統(tǒng)的緊急命令。由于水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)地形的不確定性,水質(zhì)監(jiān)測適合使用半離線飛機的控制方式,即勘查員遙控?zé)o人機進行水質(zhì)監(jiān)測。

無人機系統(tǒng)主要分為中央控制模塊、動力模塊、能源模塊、傳感器模塊、通信模塊、檢測模塊。中央控制模塊搭載運算快、穩(wěn)定、功耗低的STM32處理器,可以接入多種監(jiān)測類傳感器,并能產(chǎn)生多路信息輸出,適合無人機復(fù)雜系統(tǒng)的控制。動力模塊中,飛行控制命令通過主控處理器傳輸信號至四個電調(diào)器,電調(diào)器將指令信號轉(zhuǎn)換為電流大小信號,無人機上面四個無刷電機的轉(zhuǎn)速就跟通過的電流大小呈線性關(guān)系,中央控制模塊輸出指令到動力模塊從而實現(xiàn)驅(qū)動無人機的功能。能源模塊為鋰電池組,對電池的電壓電流檢測并通過SOC估算,提高無人機的安全性和穩(wěn)定性。傳感器模塊讀取GpS、加速計、陀螺儀、磁羅盤等傳感器部件數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸至主控處理器處理,提供主控處理器控制飛行的數(shù)據(jù)依據(jù)。通信模塊采用輕量級Mavlink協(xié)議,該協(xié)議優(yōu)點是可以被遙控接收器、飛控程序、pC計算機、手機App程序和其他程序同時使用。檢測模塊中,主控處理器通過電纜與水質(zhì)檢測儀器通信,水質(zhì)檢測儀器對探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析及記錄,并反饋至主控處理器。

4結(jié)語

本文對水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用需求進行分析,總結(jié)無人機的性能需求,提出了一種應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測的無人機。分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)設(shè)計兩個方面研究總結(jié),該無人機具有反應(yīng)迅速、靈活機動、高效穩(wěn)定、監(jiān)測成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點,可為水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域提供應(yīng)用參考。