引言

在傳統(tǒng)的檢測方法中,人工監(jiān)測需要勘查員到實地采樣,同時要求攜帶檢測設備到指定地點抽取水樣后,直接使用儀器檢測水質或取回化驗得出結果,該方法所測量水域的范圍較小,靈活性低,同時惡劣的測量環(huán)境危害人體健康。使用無人船進行水質監(jiān)測的過程中,可能會出現(xiàn)無人船受行駛路線上的大量水面障礙物阻攔導致無法到達監(jiān)測地點的情況。同時,用于水質監(jiān)測的無人船遇到急速水流會導致返航困難,存在丟失的隱患。水上無人機是無人機中的一個分支,在水環(huán)境監(jiān)測領域采用水上無人機,能有效提高水環(huán)境監(jiān)測的效率并降低工作風險,幫助環(huán)保部門做出最合理的決策。由于無人機具有控制空間大、效率高、成本低與安全等優(yōu)勢,其非常適用于水質監(jiān)測。本文首先對水質監(jiān)測中無人機的性能需求進行分析,然后提出水質監(jiān)測無人機的結構設計,最后對其系統(tǒng)進行搭建。

1水質監(jiān)測中無人機的性能要求

1.1控制范圍

水質監(jiān)測地點通常地形復雜,勘查員往往難以到達相近的檢測地點,因此需要水質監(jiān)測無人機具有更廣的飛行范圍,能夠讓勘查員無需到達檢測地點,在監(jiān)測點周圍區(qū)域也能順利檢測出目標水質的情況。

1.1無人機載荷

考慮到水質監(jiān)測無人機在不同的工作任務中可能需要承載更多的負荷如水質檢測儀器或水質采集儀器,同時這些儀器有可能需要搭載獨立的電源,因此無人機設計載荷要大。

1.2續(xù)航能力

無人機在完成整個水質監(jiān)測任務時,有尋點飛行、水質采樣、水質分析、返航等基本過程;在特殊情況下,還會有多點監(jiān)測、監(jiān)測異常導致的反復監(jiān)測等要求。故無人機要順利完成這些過程,則必須具有足夠長的續(xù)航時間。

1.3耐腐蝕性

監(jiān)測水域通常是被污染的水域,水域的強酸、強堿環(huán)境有可能會腐蝕無人機,導致其零部件損壞,嚴重時會影響無人機系統(tǒng)內的協(xié)調工作,導致其失去控制,無法完成任務與返航。

1.4飛行穩(wěn)定性

在水質監(jiān)測的過程中,無人機通常是低空飛行,低空飛行中遇到的氣流比較復雜,導致無人機姿態(tài)難以控制。同時,在水質分析時,無人機需要保持穩(wěn)定的靜止狀態(tài),水質分析儀才能正常完成工作,因此無人機在水質監(jiān)測中需要較高的飛行穩(wěn)定性。

2機構設計

無人機主要可分為固定翼無人機、單旋翼無人機及多旋翼無人機三類。固定翼無人機的優(yōu)勢是續(xù)航時間長、載荷大、速度快,但需要滑行一段時間才可以起飛。單旋翼無人機的優(yōu)勢是可以垂直升降,空中懸停,但續(xù)航時間短,機械結構復雜,操控困難,飛行慢。多旋翼無人機的優(yōu)勢是可以垂直起降,空中懸停,操控簡易,操作方便,組裝簡單;但續(xù)航時間短,飛行速度慢。根據(jù)水質監(jiān)測的實際需求情況,最適合用于水質監(jiān)測的結構是多旋翼無人機。

水質監(jiān)測無人機機構分為無人機主體機構與水質檢測機構,兩機構通過電纜連接,結構如圖1所示。無人機主體機構包括機架、電機、電調器、螺旋獎、控制板、GPS定位器、供電電源?？刂瓢逶O置于機架下方,連接四個電調器,同時每個電調器與電機連接,每個電機的輸出軸安裝有一個螺旋獎,電機呈"×"形固定在機架四周;GPS定位器設置于機架上方,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,設置于機架下端的外殼內,鋰電池組中電量能使無人機續(xù)航時間達到40min,足以完成水質監(jiān)測任務。水質檢測機構包括設置于無人機機構上的水質檢測儀器、電纜、探頭,水質檢測儀器通過電纜與探頭連接。無人機機構的機架外殼采用耐腐蝕的不銹鋼材料。

工作原理是無人機主體機構搭載水質檢測機構,在無人機主體機構的飛行運送下,將水質檢測機構輸送至待檢測區(qū)域上方,無人機主體機構保持靜止姿態(tài),探頭探入待檢測水質中,水質檢測儀器對探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析及記錄,無人機主體機構再將水質檢測機構帶回至預設地點,完成水質監(jiān)測任務。該機構解決了現(xiàn)有技術中檢測范圍受限、檢測成本較高及檢測準確率較低等問題,具有反應迅速、靈活機動、高效穩(wěn)定、監(jiān)測成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點。

3系統(tǒng)設計

無人機控制方式分為完全離線飛機與半離線飛機,完全離線飛機不與地面系統(tǒng)進行交互,自動完成飛行任務,并在執(zhí)行完任務后自動返航或在指定地點降落:半離線飛機在執(zhí)行飛行任務時,由地面系統(tǒng)進行指令控制,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。由于水質監(jiān)測任務地形的不確定性,水質監(jiān)測適合使用半離線飛機的控制方式,即勘查員遙控無人機進行水質監(jiān)測。

無人機系統(tǒng)主要分為中央控制模塊、動力模塊、能源模塊、傳感器模塊、通信模塊、檢測模塊。中央控制模塊搭載運算快、穩(wěn)定、功耗低的STM32處理器,可以接入多種監(jiān)測類傳感器,并能產生多路信息輸出,適合無人機復雜系統(tǒng)的控制。動力模塊中,飛行控制命令通過主控處理器傳輸信號至四個電調器,電調器將指令信號轉換為電流大小信號,無人機上面四個無刷電機的轉速就跟通過的電流大小呈線性關系,中央控制模塊輸出指令到動力模塊從而實現(xiàn)驅動無人機的功能。能源模塊為鋰電池組,對電池的電壓電流檢測并通過SOC估算,提高無人機的安全性和穩(wěn)定性。傳感器模塊讀取GpS、加速計、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Mavlink協(xié)議,該協(xié)議優(yōu)點是可以被遙控接收器、飛控程序、pC計算機、手機App程序和其他程序同時使用。檢測模塊中,主控處理器通過電纜與水質檢測儀器通信,水質檢測儀器對探頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析及記錄,并反饋至主控處理器。

4結語

本文對水質監(jiān)測的應用需求進行分析,總結無人機的性能需求,提出了一種應用于水質監(jiān)測的無人機。分別從結構設計與系統(tǒng)設計兩個方面研究總結,該無人機具有反應迅速、靈活機動、高效穩(wěn)定、監(jiān)測成本較低、耐腐蝕等優(yōu)點,可為水質監(jiān)測領域提供應用參考。