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

韋圣龍，李靜康，李云，孫山林，王學(xué)軍，譚智誠，姚钘，梁召思，羅磊

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

韋圣龍，李靜康，李云，孫山林，王學(xué)軍，譚智誠，姚钘，梁召思，羅磊

（廣西桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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，Autonomous Underwater Vehicle）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(shù)實(shí)現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實(shí)時回傳，實(shí)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(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務(wù)的靈活性。

水下自主航行器；智能移動監(jiān)測系統(tǒng)；水聲通信；控制算法

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，若沒有時效性強(qiáng)的監(jiān)測技術(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(shí)時監(jiān)測等問題，導(dǎo)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(wù)。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(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)時回傳，實(shí)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(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務(wù)的靈活性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用輕型免維護(hù)AUV平臺搭載聲通信機(jī)、水質(zhì)傳感器與側(cè)掃聲吶的水下探測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水下采集傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)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(jī)與側(cè)掃聲吶的實(shí)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(jī)和側(cè)掃聲吶的搭載需求分別設(shè)計聲通信機(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。該平臺采用模塊化設(shè)計，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，各段功能相對獨(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，可增添附加的功能段。AUV平臺直徑180 mm，總長1 975 mm，排水量約50 kg。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)航行器檢測到需要拋載的條件時，拋載電機(jī)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?？刂贫沃饕荚O(shè)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(dǎo)航控制、動力推進(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)完成航行器的動力推進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能。

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

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

2.2 AUV平臺各搭載功能模塊

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，搭載段長約320 mm，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15 V鋰電池供電，最大供電電流不小于5 A，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Φ86 mm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～ 30 kHz。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90 mm，通訊機(jī)質(zhì)量0.65 kg（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(jié)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(shù)實(shí)現(xiàn)水下多參數(shù)傳感器的實(shí)時回傳，實(shí)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(shí)現(xiàn)航跡自主規(guī)劃，提高了監(jiān)測任務(wù)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(shè)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(fù)雜任務(wù)和大面積水域的監(jiān)測任務(wù)。在編隊系統(tǒng)中，編隊中的實(shí)時通信、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)。

［1］張濤，胡冠九，鄧愛萍，等.江蘇沿江某化工園區(qū)有機(jī)污染調(diào)查與研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2009，25（1）：60-63.

［2］賈玉霞.論生活飲用水水質(zhì)［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2003，19（2）：57-59.

［3］黃楨.農(nóng)村水環(huán)境監(jiān)測檔案的全過程管理［J］.蘭臺世界，2009（Suppl 1）：133.

［4］TAMAKIURA.Development of autonomous underwater vehicles in Japan［J］.Advanced Robotics，2002，16（1）：3-15.

［5］KIM D W.Tracking of REMUS autonomous underwater vehicles with actuator saturations［J］.Automatica，2015， 58（12）：15-21.

［6］嚴(yán)衛(wèi)生，許暉，石秀華，等.自主水下航行器制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.船舶工程，2003，25（5）：35-37.

［7］王偉平，楊苗，趙玉新.一種改進(jìn)的多AUV協(xié)同導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型［J］.計算機(jī)科學(xué)，2015，42（2）：525-528.

［8］MOSTAFA S，OSAMA A O，USAMA S.Enhanced MFSK spectral efficiency based on super-resolution spectral estimation［C］//International Conference on Innovative Trends in Computer Engineering.IEEE，2018.

TP274

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.031

2095－6835（2020）22－0076－02

韋圣龍，男，廣西容縣人，本科在讀，研究方向為自動化。

李云（1978—），女，廣西南寧人，博士，教授，研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)。

〔編輯：張思楠〕