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)傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數(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化。經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)傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數(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、水質傳感器與側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掃聲吶的搭載需求分別設計聲通信機搭載段。側掃聲吶安裝于側掃聲吶搭載段的雙側“肋部”位置，段內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向功能。

　　AUV航行器平臺搭載聲通信機與側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載荷，艙內載荷通過固定環(huán)固定在搭載段內，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，突出搭載段外的高度約90mm，通訊機質量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。

　　側掃聲吶及其信號處理板如圖2所示。

　　圖2側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)傳感器及水下側掃聲吶，獲取水質參數(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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