基于无人机的新型海水采集系统设计与实现

刘玉良，陶良明，董 平，刘宏升，毛俊仁，许明乐，刘金椅

(1. 浙江海洋大学 信息工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江省舟山中学 科技创新中心，浙江 舟山 316001；3. 温州理工学院 设计艺术学院，浙江 温州 325035；4. 舟山商文机器人科技有限公司，浙江 舟山 316106)

近年来，随着工业污染及生活垃圾排放、海洋渔业养殖规模过度增加，近海海域水污染问题日益严重，海水温度、溶解氧、pH值等参数不断偏离正常范围[1]，给养殖业等造成了巨额损失，因此需要对海水进行实时采集、检测和治理。目前海水采集以人工为主，一般为乘小船到现场采集，需要的人力物力较多，而且采集海水时覆盖面积小、效率低，部分水域还面临风大浪急、乘船触礁搁浅等危险[2]。目前，我国只有少部分海域启动了海水自动检测模式，即把海水采样监测设备固定在渔场的特定地点，一定程度上体现了自动化特点[3]，但是仍存在采样覆盖范围小、采集地点变动不灵活等缺陷。用无人机参与海水采集能够充分发挥其便捷、灵活、高效等优势[4]，为解决上述问题提供了新思路。无人机在陆上环境监测、农业、林业等领域已得到成功应用，积累了不少经验，为无人机在海水采集领域的应用研究提供了重要借鉴[5]。根据文献报道，一些地方已经尝试研制基于无人机的海水采集设备，但大多数是在无人机上挂载水瓶、水桶等简陋设备，密封性不好，很容易使海水样品在转移过程遭受二次污染，从而导致海水化验结果不准[6]；另外，现有的设备使用了舵机、连杆、弹簧、阀门、水泵等，机械结构复杂，体形笨重[7-8]，运动不灵活，可靠性也不高。基于此背景，本文研制了新型海水采集装置，依托无人机升降及控制装置完成海水采集任务，重点解决近海海域海水采集的准确性、灵活性等关键问题，旨在提高我国近海海域海水检测自动化水平。

1 海水采集系统的总体方案设计

本文设计的海水采集系统适用于近海海域，包括上位机和下位机，即无人机平台和海水采集装置，总体方案如图1所示。图1中无人机平台包括单片机、无人机本体及飞行控制器、电动绞盘、步进电机、独立电源等，设置独立电源是为了确保控制系统稳定；海水采集装置包括单片机、海水采集管、双头采集针、推杆电机、防水设备等，总体方案如图2所示。海水采集装置细分为海水采集管、双头采集针、控制器及通信设备等；海水采集管内部初始状态是真空或负压；双头采集针是由软胶管相连的内针头和外针头；外针头固定在采集装置外部下方，内针头固定在采集装置内部且初始位置跟采集管的密封橡皮圈对准。海水采集装置的内针头刺入采集管时，由于负压原理海水将从外针头沿着软胶管进入采集管；当内针头从橡皮圈拔出时，海水采集管将与外界自动隔离而停止采集海水，满足海水采集的密封性要求。

图1 海水采集系统的总体结构

图2 海水采集装置的结构、外观和截面图

海水采集系统工作时，无人机平台完成海水采集装置的输送与升降，而海水采集装置完成海水采集的启动与停止。设计要求是无人机平台能够在目标海域上方悬停，接到命令后将海水采集装置下降到海面，等待海水采集任务结束后，把采集装置提升并固定在无人机平台上，然后携带海水采集装置飞回到陆上的海水化验中心。海水采集装置收到由上位机下达的海水采集命令后，通过推杆电机推动针头前移，扎破负压采集针管的顶封橡皮圈而吸入海水。本文采集海水的动作命令由传感器触发，采集量达到要求后，传感器触发下位机发出结束采集的命令请求，然后由上位机反馈信号以控制推杆电机反转，将采集针头从采集针管的橡皮圈拔出，从而停止采集海水并使采集管自动密封。

2 机械结构设计

2. 1 海水采集装置的机械设计

本文的海水采集装置设计借鉴医学注射器的负压抽取原理，分为前端、中部和尾端3部分。工作时前端朝下，尾端朝上。前端由前盖和采集管构成（图3），在前盖上预留一个小孔，目的是使双头采集针外针头正好穿过前端而向下伸入海水。后端包括后盖和电池（图4），后盖底端的凹槽为固定11.5 V锂离子电池的位置，推杆电机及电池导线等均放于后盖。

图3 前端结构

图4 后端结构

海水采集装置的中间部分为核心部分，如图5所示，具体包括中盖、圆柱体夹具、推杆电机等。中盖上小孔跟前盖配合，为采集针刺穿采集管提供通道；中盖上预留的凹槽是为嵌入推杆电机预留的位置。本文的推杆电机相电阻为7.5 Ω，相电流0.5 A，工作电压12 V。安装时，先将双头采集针的内针头固定在推杆电机转轴上，再将推杆电机放入中盖的凹槽，最后将双头采集针的外针头从中盖的小孔穿出，伸到前端，便于由其前盖的小孔伸入海水。

图5 中间部分的结构

2.2 电动绞盘的机械设计

绞盘作为升降控制系统的核心组件，其原理是通过转动借助绳索使物体位置提升或降低，按照动力方式可分为液压绞盘、气动绞盘、电动绞盘等。本文由于升降力不大，同时考虑到安装及控制的简便化要求，选用了电动绞盘，其盘座、连接件等采用3D设计和打印，如图6所示。

图6 无人机与电动绞盘连接示意图

3 控制系统设计

本文的控制任务包括无人机飞行控制、海水采集装置升降控制、海水采集启停控制等。其中，无人机飞行控制借用了无人机平台的自带功能，具体工作是无人机通信协议的研究与编程实现；而海水采集装置升降控制和海水采集启停控制，本文以单片机arduino promini为硬件核心，应用TB6612电机驱动模块，分别控制无人机上电动绞盘的步进电机和海水采集装置的推杆电机。本文的遥控终端应用乐迪AT9S型号航模遥控器，由它发出电动绞盘升降控制和海水采集启停控制的原始指令。原始指令通过无人机平台的开放通道进行通信，上位机和下位机之间通过zigbee无线串口模块通信。为便于软件升级、安装调试，本文控制系统采用了模块化设计思路，如图7所示。

图7 升降控制和采集控制原理图

3.1 控制方案简述

无人机控制的特点是：要求电机启动、停止、升降、转向等能够快速响应，而且要求电机体积小、力矩大、质量轻、抗干扰能力强、输出稳定等。本文权衡后选用步进电机，理由是尽力避免电机停转时吊起的装置滑落，另一理由是步进电机响应仅由数字输入脉冲确定，支持开环控制，电机结构简单且控制成本低。本文采用了两个步进电机，一个是固定在无人机上的4相5线制电机，用来控制绞盘转动即控制升降；另一个是微型2相4线制推杆电机，通过推杆的直线运动控制海水采集的启与停。

3.2 控制软件设计

本文的控制器Ardunio Pro Mini单片机只有单个串口，给通信和烧录切换带来不便，因此使用Software Serial库模拟串口通信。为提供编程效率，使用Arduino的内置步进电机控制库函数step( )，编程时仅需配置引脚和脉冲频率。无人机遥控器上还有可用的舵机接口，本文通过此接口给无人机发送信号，实现电动绞盘步进电机的正反转控制。电机控制基于脉宽调制PWM原理，无人机上舵机引脚与单片机I/O口相连，读取I/O口一个舵机基准信号周期的高电平占比，再判定高电平占比从而控制电机工作。本文的通信主机为无人机平台，其作用为读取遥控器发射的舵机信号，控制绞盘电机收放绞盘和发射状态码给下位机，下位机的作用是接受主机发送的状态码，控制海水采集装置的推杆电机，完成海水采集的控制。软件流程如图8所示。

图8 海水采集系统的软件流程图

4 海水采集实验

海水采集实验系统组装起来后，上位机尺寸尺度大约400 mm × 400 mm × 440 mm，重量1.654 kg；下位机尺度约为200 mm × 200 mm × 300 mm,重量0.654 kg；功耗为1 500 mAh；无人机型号为S500四轴无人机pixhawk。实验时间天气条件均为阴天和多云，东南风或西南风5级以下，海浪高度0.1 m以下。课题组完成上位机和下位机的模块化设计之后，应用KeyShot软件进行了计算机仿真，如图9(a)所示。计算机仿真通过后，在浙江海洋大学智能机器人研究所进行了模块制作、组装，如图9(b)所示。然后进行室内调试和浙江海洋大学校园内的调试，最后在舟山长峙岛附近海域进行了现场测试和改进后的再次测试。在测试过程中，利用控制器面板上设有的遥控和自控切换按钮，支持遥控和自控操作，保证安全性和便利性。同时采用紧凑型四旋翼无人机平台，保证体积小、成本低的优点，便于后续推广。测试结果表明，采集过程无人机能够稳定飞行和悬停在海域上空，扣除无人机往返飞行等装备时间，采集5 mL海水平均用时15 s。借助无人机平台，能够稳定地实现海水采集设备的下吊、提升以及采集后海水采集设备在无人机上位置的固定；系统的续航能力为满载飞行时间10 min和遥控工作范围1.1 km。

图9 海水采集实验装置

5 结 论

本文提出了基于无人机的新型海水采集方案，完成了上位机和下位机的设计、集成与测试，其中上位机控制支持遥控和自控两种方式。本文重点完成了海水采集设备的设计，该设备基于负压原理，保证海水采集的密封性即海水检测的准确性要求。最终改进后的系统在舟山海域单个采集点进行了5次测试，均取得了成功。目前存在的主要问题是无人机续航时间不够长、飞行抗风性不够强等问题，因此课题组将继续改进海水采集装置，以提高海面风浪增加后的工作适应性。目前由于设备尺寸及配重所限，只适应于浪高0.1 m以下的微浪，能够在大浪环境下稳定采集海水的第二代样机，将是下一步的研究任务。课题组还将更换大容量采集针管，并尝试在多个采集点进行测试，研究采集点位置切换时系统的工作稳定性和灵活性，以及引进机器视觉和智能控制算法[9-10]，以进一步提高海水采集系统的自动化程度。