无人自主航行器基础上智能水下监测平台研究

2020-11-26 242 上传者：管理员

摘要：为了提高江河湖海水域环境监测灵活性，提出了一套基于轻型无人自主水下航行器（AUV,AutonomousUnderwaterVehicle）的智能移动监测系统。该平台可搭载水下多参数传感器及水下侧扫声呐，获取水质参数及水底的地形地貌信息。该系统采用稳健水声通信技术实现水下多参数传感器的实时回传，实现水质信息的原位监测；通过提出的智能水下平台控制算法，平台可实现航迹自主规划，提高了监测任务的灵活性。

关键词：
控制算法
智能移动监测系统
水下自主航行器
水声通信
生态环境
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1、背景

随着海洋（或者江河湖泊）周边城镇化迅猛发展，累积型和复合型的水污染问题在水域生态环境中正集中体现，一旦发生突发环境破坏或环境污染事件，若没有时效性强的监测技术，将造成无可挽回的后果。因此，水域生态环境监测急需一套高效监测系统。由于水域环境监测存在着许多问题，例如监测覆盖面积广、人力资源有限、人工监测方式单一、违法偷排现象时有发生较难实时监测等问题，导致现有的监测系统不能满足大面积水域监测的需求。针对上述问题，本文提出采用移动性灵活的水下无人自主航行器完成水域监测任务。因此，本文提出面向水域生态环境监测的基于无人自主航行器的智能水下多参数移动监测平台。

该平台基于轻型免维护AUV载体，通过搭载水下多参数传感器及水下侧扫声呐，获取水质参数及水底的地形地貌信息；基于稳健水声通信技术实现水下多参数传感器的实时回传，实现水质信息的原位监测；通过提出的智能水下平台控制算法，本平台可实现航迹自主规划，提高了监测任务的灵活性。

2、系统设计

2.1系统总体设计

本系统采用轻型免维护AUV平台搭载声通信机、水质传感器与侧扫声呐的水下探测系统，可实现水下采集传感器数据的实时回传，总体系统分为水下航行器、操控终端和保障系统三部分。AUV航行器平台搭载声通信机与侧扫声呐的实施方案如图1所示，搭载后的平台除原平台的头段、控制段、接口段和尾端外，在头段与控制段之间针对声通信机和侧扫声呐的搭载需求分别设计声通信机搭载段。侧扫声呐安装于侧扫声呐搭载段的双侧“肋部”位置，段内安装相应声学设备的电子处理板。该平台采用模块化设计，扩展性强，可搭载多种声呐设备，完成水文参量数据采集、水底地形地貌勘察以及相关的作业任务。

AUV总体结构采用封闭耐压结构形式，分段形式构成，各舱段按功能模块化要求进行设计，各段功能相对独立，各舱段采用了统一的连接结构和密封形式进行设计，可增添附加的功能段。AUV平台直径180mm，总长1975mm，排水量约50kg。头段布设防撞胶块和抛载组件，抛载组件为安全保障装置，当航行器检测到需要抛载的条件时，抛载电机启动，抛载块脱落下沉，航行器浮力迅速增大，提高安全自救能力。控制段主要布设电池组件、总体控制单元、安全保险单元、无线通信与定位单元，为航行器提供自身航行所必须的通讯、导航控制、动力推进、供电控制、安全急救电路。接口段主要布设天线组件（内含LED频闪灯、GPS、铱星、无线、Wi-Fi等天线）、深度传感器、上电接口、气密接口等设备。尾段由舵板、舵机、舵轴、推进器等组成，该部分结构完成航行器的动力推进和转向功能。

AUV航行器平台搭载声通信机与侧扫声呐的实施方案如图1所示。

图1AUV航行器平台搭载声通信机与侧扫声呐的实施方案

2.2AUV平台各搭载功能模块

水声通信机系统包括水声通信机及舱内载荷，舱内载荷通过固定环固定在搭载段内，载荷固定环可与段间连接板合并设计，搭载段长约320mm，连接接口分别与头段、控制段相匹配。水声通信设备供电采用15V锂电池供电，最大供电电流不小于5A，数据传输接口采用串口传输。

水声通信机主体部分尺寸为Φ86mm的球形，为避免与侧扫声呐频段干扰，水声换能器工作频率选定为20～30kHz。搭载段位尾端腹部安装，通信机上部直接没入搭载段内，突出搭载段外的高度约90mm，通讯机质量0.65kg（不带导线），搭载段壳体与水声通信机之间的密封方式采用径向密封。

侧扫声呐及其信号处理板如图2所示。

图2侧扫声呐及其信号处理板

3、总结与展望

本文提出了一套基于小型AUV的智能水下移动监测系统。该平台可搭载水下多参数传感器及水下侧扫声呐，获取水质参数及水底的地形地貌信息。该系统采用了稳健水声通信技术实现水下多参数传感器的实时回传，实现水质信息的原位监测；通过提出的智能水下平台控制算法，本平台可实现航迹自主规划，提高了监测任务的灵活性。

鉴于小型平台的续航力及携带载荷限制较大，未来可研究和设计通过多个水下小型监测平台协同编队组网完成复杂任务和大面积水域的监测任务。在编队系统中，编队中的实时通信、数据传输、任务规划及分配都是面临的主要挑战。

参考文献：

[1]张涛,胡冠九,邓爱萍,等.江苏沿江某化工园区有机污染调查与研究[J].中国环境监测,2009,25(1):60-63.