基于無人自主航行器的智能水下多參數(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)

　　摘要：為了提高江河湖海水域環(huán)境監(jiān)測(cè)靈活性，提出了一套基于輕型無人自主水下航行器(AUV,AutonomousUnderwaterVehicle)的智能移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該平臺(tái)可搭載水下多參數(shù)傳感器及水下側(cè)掃聲吶，獲取水質(zhì)參數(shù)及水底的地形地貌信息。該系統(tǒng)采用穩(wěn)健水聲通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測(cè);通過提出的智能水下平臺(tái)控制算法，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測(cè)任務(wù)的靈活性。

　　本文源自科技與創(chuàng)新,2020(22):76-77.《科技與創(chuàng)新》雜志為國(guó)家新聞出版署批準(zhǔn)，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的“全國(guó)綜合性科技學(xué)術(shù)期刊”，由山西省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、山西科技新聞出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)主辦，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN14-1369/N，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN 2095-6835。 為了進(jìn)一步服務(wù)廣大科技工作者，促進(jìn)創(chuàng)新型科技人才的研究成果轉(zhuǎn)化。經(jīng)國(guó)家新聞出版廣電總局批準(zhǔn)(新出審字〔2013〕862號(hào))，原《微計(jì)算機(jī)信息》雜志自2013年7月正式變更為《科技與創(chuàng)新》雜志，在創(chuàng)辦的過程中得到了中國(guó)科協(xié)和山西省新聞出版局的大力支持。

　　1、背景

　　隨著海洋(或者江河湖泊)周邊城鎮(zhèn)化迅猛發(fā)展，累積型和復(fù)合型的水污染問題在水域生態(tài)環(huán)境中正集中體現(xiàn)，一旦發(fā)生突發(fā)環(huán)境破壞或環(huán)境污染事件，若沒有時(shí)效性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，將造成無可挽回的后果。因此，水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)急需一套高效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于水域環(huán)境監(jiān)測(cè)存在著許多問題，例如監(jiān)測(cè)覆蓋面積廣、人力資源有限、人工監(jiān)測(cè)方式單一、違法偷排現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生較難實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問題，導(dǎo)致現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能滿足大面積水域監(jiān)測(cè)的需求。針對(duì)上述問題，本文提出采用移動(dòng)性靈活的水下無人自主航行器完成水域監(jiān)測(cè)任務(wù)。因此，本文提出面向水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的基于無人自主航行器的智能水下多參數(shù)移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

　　該平臺(tái)基于輕型免維護(hù)AUV載體，通過搭載水下多參數(shù)傳感器及水下側(cè)掃聲吶，獲取水質(zhì)參數(shù)及水底的地形地貌信息;基于穩(wěn)健水聲通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測(cè);通過提出的智能水下平臺(tái)控制算法，本平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測(cè)任務(wù)的靈活性。

　　2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用輕型免維護(hù)AUV平臺(tái)搭載聲通信機(jī)、水質(zhì)傳感器與側(cè)掃聲吶的水下探測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水下采集傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，總體系統(tǒng)分為水下航行器、操控終端和保障系統(tǒng)三部分。AUV航行器平臺(tái)搭載聲通信機(jī)與側(cè)掃聲吶的實(shí)施方案如圖1所示，搭載后的平臺(tái)除原平臺(tái)的頭段、控制段、接口段和尾端外，在頭段與控制段之間針對(duì)聲通信機(jī)和側(cè)掃聲吶的搭載需求分別設(shè)計(jì)聲通信機(jī)搭載段。側(cè)掃聲吶安裝于側(cè)掃聲吶搭載段的雙側(cè)“肋部”位置，段內(nèi)安裝相應(yīng)聲學(xué)設(shè)備的電子處理板。該平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可搭載多種聲吶設(shè)備，完成水文參量數(shù)據(jù)采集、水底地形地貌勘察以及相關(guān)的作業(yè)任務(wù)。

　　AUV總體結(jié)構(gòu)采用封閉耐壓結(jié)構(gòu)形式，分段形式構(gòu)成，各艙段按功能模塊化要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，各段功能相對(duì)獨(dú)立，各艙段采用了統(tǒng)一的連接結(jié)構(gòu)和密封形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可增添附加的功能段。AUV平臺(tái)直徑180mm，總長(zhǎng)1975mm，排水量約50kg。頭段布設(shè)防撞膠塊和拋載組件，拋載組件為安全保障裝置，當(dāng)航行器檢測(cè)到需要拋載的條件時(shí)，拋載電機(jī)啟動(dòng)，拋載塊脫落下沉，航行器浮力迅速增大，提高安全自救能力。控制段主要布設(shè)電池組件、總體控制單元、安全保險(xiǎn)單元、無線通信與定位單元，為航行器提供自身航行所必須的通訊、導(dǎo)航控制、動(dòng)力推進(jìn)、供電控制、安全急救電路。接口段主要布設(shè)天線組件(內(nèi)含LED頻閃燈、GPS、銥星、無線、Wi-Fi等天線)、深度傳感器、上電接口、氣密接口等設(shè)備。尾段由舵板、舵機(jī)、舵軸、推進(jìn)器等組成，該部分結(jié)構(gòu)完成航行器的動(dòng)力推進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能。

　　AUV航行器平臺(tái)搭載聲通信機(jī)與側(cè)掃聲吶的實(shí)施方案如圖1所示。

　　圖1AUV航行器平臺(tái)搭載聲通信機(jī)與側(cè)掃聲吶的實(shí)施方案

　　2.2AUV平臺(tái)各搭載功能模塊

　　水聲通信機(jī)系統(tǒng)包括水聲通信機(jī)及艙內(nèi)載荷，艙內(nèi)載荷通過固定環(huán)固定在搭載段內(nèi)，載荷固定環(huán)可與段間連接板合并設(shè)計(jì)，搭載段長(zhǎng)約320mm，連接接口分別與頭段、控制段相匹配。水聲通信設(shè)備供電采用15V鋰電池供電，最大供電電流不小于5A，數(shù)據(jù)傳輸接口采用串口傳輸。

　　水聲通信機(jī)主體部分尺寸為Φ86mm的球形，為避免與側(cè)掃聲吶頻段干擾，水聲換能器工作頻率選定為20～30kHz。搭載段位尾端腹部安裝，通信機(jī)上部直接沒入搭載段內(nèi)，突出搭載段外的高度約90mm，通訊機(jī)質(zhì)量0.65kg(不帶導(dǎo)線)，搭載段殼體與水聲通信機(jī)之間的密封方式采用徑向密封。

　　側(cè)掃聲吶及其信號(hào)處理板如圖2所示。

　　圖2側(cè)掃聲吶及其信號(hào)處理板

　　3、總結(jié)與展望

　　本文提出了一套基于小型AUV的智能水下移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該平臺(tái)可搭載水下多參數(shù)傳感器及水下側(cè)掃聲吶，獲取水質(zhì)參數(shù)及水底的地形地貌信息。該系統(tǒng)采用了穩(wěn)健水聲通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實(shí)時(shí)回傳，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測(cè);通過提出的智能水下平臺(tái)控制算法，本平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測(cè)任務(wù)的靈活性。

　　鑒于小型平臺(tái)的續(xù)航力及攜帶載荷限制較大，未來可研究和設(shè)計(jì)通過多個(gè)水下小型監(jiān)測(cè)平臺(tái)協(xié)同編隊(duì)組網(wǎng)完成復(fù)雜任務(wù)和大面積水域的監(jiān)測(cè)任務(wù)。在編隊(duì)系統(tǒng)中，編隊(duì)中的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)規(guī)劃及分配都是面臨的主要挑戰(zhàn)。

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