一種用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的無人機(jī)研究

引言

在傳統(tǒng)的檢測(cè)方法中,人工監(jiān)測(cè)需要勘查員到實(shí)地采樣,同時(shí)要求攜帶檢測(cè)設(shè)備到指定地點(diǎn)抽取水樣后,直接使用儀器檢測(cè)水質(zhì)或取回化驗(yàn)得出結(jié)果,該方法所測(cè)量水域的范圍較小,靈活性低,同時(shí)惡劣的測(cè)量環(huán)境危害人體健康。使用無人船進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的過程中,可能會(huì)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(dá)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的情況。同時(shí),用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的無人船遇到急速水流會(huì)導(dǎo)致返航困難,存在丟失的隱患。水上無人機(jī)是無人機(jī)中的一個(gè)分支,在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域采用水上無人機(jī),能有效提高水環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率并降低工作風(fēng)險(xiǎn),幫助環(huán)保部門做出最合理的決策。由于無人機(jī)具有控制空間大、效率高、成本低與安全等優(yōu)勢(shì),其非常適用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)。本文首先對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中無人機(jī)的性能需求進(jìn)行分析,然后提出水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行搭建。

1水質(zhì)監(jiān)測(cè)中無人機(jī)的性能要求

1.1控制范圍

水質(zhì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)通常地形復(fù)雜,勘查員往往難以到達(dá)相近的檢測(cè)地點(diǎn),因此需要水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)具有更廣的飛行范圍,能夠讓勘查員無需到達(dá)檢測(cè)地點(diǎn),在監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍區(qū)域也能順利檢測(cè)出目標(biāo)水質(zhì)的情況。

1.1無人機(jī)載荷

考慮到水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)在不同的工作任務(wù)中可能需要承載更多的負(fù)荷如水質(zhì)檢測(cè)儀器或水質(zhì)采集儀器,同時(shí)這些儀器有可能需要搭載獨(dú)立的電源,因此無人機(jī)設(shè)計(jì)載荷要大。

1.2續(xù)航能力

無人機(jī)在完成整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí),有尋點(diǎn)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(huì)有多點(diǎn)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)異常導(dǎo)致的反復(fù)監(jiān)測(cè)等要求。故無人機(jī)要順利完成這些過程,則必須具有足夠長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

1.3耐腐蝕性

監(jiān)測(cè)水域通常是被污染的水域,水域的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境有可能會(huì)腐蝕無人機(jī),導(dǎo)致其零部件損壞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響無人機(jī)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(cè)的過程中,無人機(jī)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(jī)姿態(tài)難以控制。同時(shí),在水質(zhì)分析時(shí),無人機(jī)需要保持穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài),水質(zhì)分析儀才能正常完成工作,因此無人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中需要較高的飛行穩(wěn)定性。

2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

水質(zhì)監(jiān)測(cè)無人機(jī)機(jī)構(gòu)分為無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)與水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu),兩機(jī)構(gòu)通過電纜連接,結(jié)構(gòu)如圖1所示。無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、電機(jī)、電調(diào)器、螺旋獎(jiǎng)、控制板、GPS定位器、供電電源?？刂瓢逶O(shè)置于機(jī)架下方,連接四個(gè)電調(diào)器,同時(shí)每個(gè)電調(diào)器與電機(jī)連接,每個(gè)電機(jī)的輸出軸安裝有一個(gè)螺旋獎(jiǎng),電機(jī)呈"×"形固定在機(jī)架四周;GPS定位器設(shè)置于機(jī)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(jī)架下端的外殼內(nèi),鋰電池組中電量能使無人機(jī)續(xù)航時(shí)間達(dá)到40min,足以完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)。水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括設(shè)置于無人機(jī)機(jī)構(gòu)上的水質(zhì)檢測(cè)儀器、電纜、探頭,水質(zhì)檢測(cè)儀器通過電纜與探頭連接。無人機(jī)機(jī)構(gòu)的機(jī)架外殼采用耐腐蝕的不銹鋼材料。

工作原理是無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)搭載水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu),在無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)的飛行運(yùn)送下,將水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)輸送至待檢測(cè)區(qū)域上方,無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)保持靜止姿態(tài),探頭探入待檢測(cè)水質(zhì)中,水質(zhì)檢測(cè)儀器對(duì)探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析及記錄,無人機(jī)主體機(jī)構(gòu)再將水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)帶回至預(yù)設(shè)地點(diǎn),完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)任務(wù)。該機(jī)構(gòu)解決了現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)范圍受限、檢測(cè)成本較高及檢測(cè)準(zhǔn)確率較低等問題,具有反應(yīng)迅速、靈活機(jī)動(dòng)、高效穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)控制方式分為完全離線飛機(jī)與半離線飛機(jī),完全離線飛機(jī)不與地面系統(tǒng)進(jìn)行交互,自動(dòng)完成飛行任務(wù),并在執(zhí)行完任務(wù)后自動(dòng)返航或在指定地點(diǎn)降落:半離線飛機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí),由地面系統(tǒng)進(jìn)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(cè)任務(wù)地形的不確定性,水質(zhì)監(jiān)測(cè)適合使用半離線飛機(jī)的控制方式,即勘查員遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

無人機(jī)系統(tǒng)主要分為中央控制模塊、動(dòng)力模塊、能源模塊、傳感器模塊、通信模塊、檢測(cè)模塊。中央控制模塊搭載運(yùn)算快、穩(wěn)定、功耗低的STM32處理器,可以接入多種監(jiān)測(cè)類傳感器,并能產(chǎn)生多路信息輸出,適合無人機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。動(dòng)力模塊中,飛行控制命令通過主控處理器傳輸信號(hào)至四個(gè)電調(diào)器,電調(diào)器將指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流大小信號(hào),無人機(jī)上面四個(gè)無刷電機(jī)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(dòng)力模塊從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的功能。能源模塊為鋰電池組,對(duì)電池的電壓電流檢測(cè)并通過SOC估算,提高無人機(jī)的安全性和穩(wěn)定性。傳感器模塊讀取GpS、加速計(jì)、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(jí)Mavlink協(xié)議,該協(xié)議優(yōu)點(diǎn)是可以被遙控接收器、飛控程序、pC計(jì)算機(jī)、手機(jī)App程序和其他程序同時(shí)使用。檢測(cè)模塊中,主控處理器通過電纜與水質(zhì)檢測(cè)儀器通信,水質(zhì)檢測(cè)儀器對(duì)探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析及記錄,并反饋至主控處理器。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求進(jìn)行分析,總結(jié)無人機(jī)的性能需求,提出了一種應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的無人機(jī)。分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面研究總結(jié),該無人機(jī)具有反應(yīng)迅速、靈活機(jī)動(dòng)、高效穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),可為水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供應(yīng)用參考。