基于無人自主航行器的智能水下多參數(shù)移動監(jiān)測平臺

　　摘要：為了提高江河湖海水域環(huán)境監(jiān)測靈活性，提出了一套基于輕型無人自主水下航行器(AUV,AutonomousUnderwaterVehicle)的智能移動監(jiān)測系統(tǒng)。該平臺可搭載水下多參數(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)健水聲通信技術實現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實時回傳，實現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測;通過提出的智能水下平臺控制算法，平臺可實現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務的靈活性。

　　本文源自科技與創(chuàng)新,2020(22):76-77.《科技與創(chuàng)新》雜志為國家新聞出版署批準，面向國內(nèi)外公開發(fā)行的“全國綜合性科技學術期刊”，由山西省科學技術協(xié)會主管、山西科技新聞出版?zhèn)髅郊瘓F主辦，國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN14-1369/N，國際標準刊號ISSN 2095-6835。 為了進一步服務廣大科技工作者，促進創(chuàng)新型科技人才的研究成果轉(zhuǎn)化。經(jīng)國家新聞出版廣電總局批準(新出審字〔2013〕862號)，原《微計算機信息》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，若沒有時效性強的監(jiān)測技術，將造成無可挽回的后果。因此，水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測急需一套高效監(jiān)測系統(tǒng)。由于水域環(huán)境監(jiān)測存在著許多問題，例如監(jiān)測覆蓋面積廣、人力資源有限、人工監(jiān)測方式單一、違法偷排現(xiàn)象時有發(fā)生較難實時監(jiān)測等問題，導致現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)不能滿足大面積水域監(jiān)測的需求。針對上述問題，本文提出采用移動性靈活的水下無人自主航行器完成水域監(jiān)測任務。因此，本文提出面向水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的基于無人自主航行器的智能水下多參數(shù)移動監(jiān)測平臺。

　　該平臺基于輕型免維護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)健水聲通信技術實現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實時回傳，實現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測;通過提出的智能水下平臺控制算法，本平臺可實現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務的靈活性。

　　2、系統(tǒng)設計

　　2.1系統(tǒng)總體設計

　　本系統(tǒng)采用輕型免維護AUV平臺搭載聲通信機、水質(zhì)傳感器與側(cè)掃聲吶的水下探測系統(tǒng)，可實現(xiàn)水下采集傳感器數(shù)據(jù)的實時回傳，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航行器平臺搭載聲通信機與側(cè)掃聲吶的實施方案如圖1所示，搭載后的平臺除原平臺的頭段、控制段、接口段和尾端外，在頭段與控制段之間針對聲通信機和側(cè)掃聲吶的搭載需求分別設計聲通信機搭載段。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)安裝相應聲學設備的電子處理板。該平臺采用模塊化設計，擴展性強，可搭載多種聲吶設備，完成水文參量數(shù)據(jù)采集、水底地形地貌勘察以及相關的作業(yè)任務。

　　AUV總體結構采用封閉耐壓結構形式，分段形式構成，各艙段按功能模塊化要求進行設計，各段功能相對獨立，各艙段采用了統(tǒng)一的連接結構和密封形式進行設計，可增添附加的功能段。AUV平臺直徑180mm，總長1975mm，排水量約50kg。頭段布設防撞膠塊和拋載組件，拋載組件為安全保障裝置，當航行器檢測到需要拋載的條件時，拋載電機啟動，拋載塊脫落下沉，航行器浮力迅速增大，提高安全自救能力。控制段主要布設電池組件、總體控制單元、安全保險單元、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、導航控制、動力推進、供電控制、安全急救電路。接口段主要布設天線組件(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、氣密接口等設備。尾段由舵板、舵機、舵軸、推進器等組成，該部分結構完成航行器的動力推進和轉(zhuǎn)向功能。

　　AUV航行器平臺搭載聲通信機與側(cè)掃聲吶的實施方案如圖1所示。

　　圖1AUV航行器平臺搭載聲通信機與側(cè)掃聲吶的實施方案

　　2.2AUV平臺各搭載功能模塊

　　水聲通信機系統(tǒng)包括水聲通信機及艙內(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計，搭載段長約320mm，連接接口分別與頭段、控制段相匹配。水聲通信設備供電采用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，通訊機質(zhì)量0.65kg(不帶導線)，搭載段殼體與水聲通信機之間的密封方式采用徑向密封。

　　側(cè)掃聲吶及其信號處理板如圖2所示。

　　圖2側(cè)掃聲吶及其信號處理板

　　3、總結與展望

　　本文提出了一套基于小型AUV的智能水下移動監(jiān)測系統(tǒng)。該平臺可搭載水下多參數(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)健水聲通信技術實現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實時回傳，實現(xiàn)水質(zhì)信息的原位監(jiān)測;通過提出的智能水下平臺控制算法，本平臺可實現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務的靈活性。

　　鑒于小型平臺的續(xù)航力及攜帶載荷限制較大，未來可研究和設計通過多個水下小型監(jiān)測平臺協(xié)同編隊組網(wǎng)完成復雜任務和大面積水域的監(jiān)測任務。在編隊系統(tǒng)中，編隊中的實時通信、數(shù)據(jù)傳輸、任務規(guī)劃及分配都是面臨的主要挑戰(zhàn)。

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