基于STM32 的污染水体检测无人船编队系统

2021-07-30蓝祝愿钟李鑫陈开辉张彭飞

科学技术创新 2021年21期

蓝祝愿钟李鑫陈开辉张彭飞

(广西科技大学电气与信息工程学院,广西柳州 545006)

随着社会的发展,国民的环保意识不断提高,人们对与生活息息相关的的水资源污染问题也愈发的关心。因此,环境治理问题也成为新时代背景下,我国要着力解决的重点问题。目前,对污染水体检测的方式主要有现场检测以及人工采集水体样本返回实验室检测两种方式。两种方式各有优势所在,实验室检测的方式,可以对样本进行全面的检测分析,但因为样品转移路程等因素的影响,导致检测效率不高。现场检测的方式主要使用水质监测无人船[1]等便携式装置,或是大型水质检测船。现场检测可快速反馈检测数据,可应用于广阔水域。大型的水质检测船,成本较大,且容易受到水深等因素的限制,不够灵活机动。无人船体积较小,对水深要求小,机动性能好,能应用于城市小水沟等条件苛刻的水域。但由单一设备得出的检测数据,可靠性较低,将无人船进行编队化控制可以有效解决这一问题。

基于多智能体系统[2]理论研究无人船编队的协同控制算法；在实际工程约束下的无人船编队模型下,基于实际硬件的通信时延问题进行理论分析,研究含时延的协同控制算法；为克服无人船编队实际环境条件下硬件网络中的通信带宽和能量限制,在改进概率量化通信的基础上,研究量化一致性滤波算法[3]；本项目的无人船编队检测污染水体成分的方式,相比于单一的无人船检测方式,效率更高,检测的范围更大,检测结果的可信度更高。能高效率的检测被污染水体的成分,为合理利用水资源有效的数据参考,为准确高效的解决水体污染问题提供了良好的前提条件。

1 总体方案设计

基于STM32 的污染水体检测无人船编队系统,由多只无人船及其装配的检测装置、导航单元、无线射频模块、地面站显示与控制界面组成,如图1 所示。导航单元用于判断航行方向与防止碰撞。无线射频模块实现无人船与地面站之间的通信,为无人船编队协同控制[4]提供硬件通信基础。动力单元根据主控芯片的指令调节电机转速实现转向。检测装置用于检测水质情况,通过无线射频模块传输到地面站进行显示。地面站显示与控制界面,对无人船检测数据等信息进行显示,并发送对无人船编队的控制指令,如图1。

图1 基于STM32 的污染水体检测无人船编队系统总统框架图

图2 无人船硬件接线图

2 系统硬件设计

由于本项目需要外接多个传感器,故选用USART、SPI、IIC通信接口丰富的STM32F103ZET6 作为主控芯片。无人船硬件接线图如图2 所示。导航单元：JY901 九轴姿态传感器可以连接GPS 定位模块,从而可以节省一个通信接口,通过感知地球磁场从而确定无人船的航向角[5]。水质检测单元：包含PH 传感器、水体浑浊度传感器、溶氧量传感器、余氯量传感器、电导率传感器、氨氮量传感器、温度传感器在内的几种常用的水质检测传感器。动力单元：经过降压模块给船载元器件提供电源,电机驱动模块根据主控芯片的指令,控制左右电机的差速实现转向。

3 系统程序软件设计

本项目的开发环境为MDK5,使用C 语言进行编程,生成可烧录到单片机钟的hex 文件。无人船程序流程图如图3 所示。

图3 无人船系统程序流程图

如图3 所示：在无人船系统中,进行传感器的初始化与STM32 单片机的程序进行初始化配置之后,利用串口通信方式对操作指令和GPS 坐标等信息进行接收,并发送PH 值、水体浑浊度等水质检测数据。根据工作模式标志位的不同,无人船的控制状态可分为待机模式、手动控制模式、自动控制模式三种。

图4 地面站显示与控制界面

无人船的控制模式标志位由地面站显示与控制界面的操作决定。地面站显示与控制界面如图4 所示。无人船地面站显示界面主要内容：(1)串口部分。使用串口通信连接无线终端设备与电脑主机。(2)无人船勾选部分。勾选参与巡航工作的无人船。(3)坐标数据显示部分。用于显示无人船坐标的经纬度数据。(4)水质检测数据部分。实时显示无人船检测数据。(5)地图显示部分。用图像显示无人船坐标与船头方向。(6)功能区部分。功能1：手动控制模式。使用方向键直接控制无人船。功能2：路径选择模式。使用鼠标在地图上标注坐标点,在自动控制模式下无人船自动根据坐标点依次巡航。功能3：区域选择模式。在地图中划定区域,在自动控制模式下无人船编队自动巡航。功能4：自动控制模式。无人船编队按照事先设定的规则进行巡航。

在自动模式下,无人船的航线角度控制由PID 算法[6]实现。以航向角建立平面直角坐标系,以目标角度和当前角度的差值作为反馈量,控制电机差速达到目标角度。