一种用于水质监测的无人机研究

引言

在传统的检测方法中,人工监测需要勘查员到实地采样,同时要求携带检测设备到指定地点抽取水样后,直接使用仪器检测水质或取回化验得出结果,该方法所测量水域的范围较小,灵活性低,同时恶劣的测量环境危害人体健康。使用无人船进行水质监测的过程中,可能会出现无人船受行驶路线上的大量水面障碍物阻拦导致无法到达监测地点的情况。同时,用于水质监测的无人船遇到急速水流会导致返航困难,存在丢失的隐患。水上无人机是无人机中的一个分支,在水环境监测领域采用水上无人机,能有效提高水环境监测的效率并降低工作风险,帮助环保部门做出最合理的决策。由于无人机具有控制空间大、效率高、成本低与安全等优势,其非常适用于水质监测。本文首先对水质监测中无人机的性能需求进行分析,然后提出水质监测无人机的结构设计,最后对其系统进行搭建。

1水质监测中无人机的性能要求

1.1控制范围

水质监测地点通常地形复杂,勘查员往往难以到达相近的检测地点,因此需要水质监测无人机具有更广的飞行范围,能够让勘查员无需到达检测地点,在监测点周围区域也能顺利检测出目标水质的情况。

1.1无人机载荷

考虑到水质监测无人机在不同的工作任务中可能需要承载更多的负荷如水质检测仪器或水质采集仪器,同时这些仪器有可能需要搭载独立的电源,因此无人机设计载荷要大。

1.2续航能力

无人机在完成整个水质监测任务时,有寻点飞行、水质采样、水质分析、返航等基本过程;在特殊情况下,还会有多点监测、监测异常导致的反复监测等要求。故无人机要顺利完成这些过程,则必须具有足够长的续航时间。

1.3耐腐蚀性

监测水域通常是被污染的水域,水域的强酸、强碱环境有可能会腐蚀无人机,导致其零部件损坏,严重时会影响无人机系统内的协调工作,导致其失去控制,无法完成任务与返航。

1.4飞行稳定性

在水质监测的过程中,无人机通常是低空飞行,低空飞行中遇到的气流比较复杂,导致无人机姿态难以控制。同时,在水质分析时,无人机需要保持稳定的静止状态,水质分析仪才能正常完成工作,因此无人机在水质监测中需要较高的飞行稳定性。

2机构设计

无人机主要可分为固定翼无人机、单旋翼无人机及多旋翼无人机三类。固定翼无人机的优势是续航时间长、载荷大、速度快,但需要滑行一段时间才可以起飞。单旋翼无人机的优势是可以垂直升降,空中悬停,但续航时间短,机械结构复杂,操控困难,飞行慢。多旋翼无人机的优势是可以垂直起降,空中悬停,操控简易,操作方便,组装简单;但续航时间短,飞行速度慢。根据水质监测的实际需求情况,最适合用于水质监测的结构是多旋翼无人机。

水质监测无人机机构分为无人机主体机构与水质检测机构,两机构通过电缆连接,结构如图1所示。无人机主体机构包括机架、电机、电调器、螺旋奖、控制板、GPS定位器、供电电源。控制板设置于机架下方,连接四个电调器,同时每个电调器与电机连接,每个电机的输出轴安装有一个螺旋奖,电机呈"×"形固定在机架四周;GPS定位器设置于机架上方,与控制板连接;供电电源为锂电池组,电压为22.8V,电容量为5700mAh,设置于机架下端的外壳内,锂电池组中电量能使无人机续航时间达到40min,足以完成水质监测任务。水质检测机构包括设置于无人机机构上的水质检测仪器、电缆、探头,水质检测仪器通过电缆与探头连接。无人机机构的机架外壳采用耐腐蚀的不锈钢材料。

工作原理是无人机主体机构搭载水质检测机构,在无人机主体机构的飞行运送下,将水质检测机构输送至待检测区域上方,无人机主体机构保持静止姿态,探头探入待检测水质中,水质检测仪器对探头传输的数据进行分析及记录,无人机主体机构再将水质检测机构带回至预设地点,完成水质监测任务。该机构解决了现有技术中检测范围受限、检测成本较高及检测准确率较低等问题,具有反应迅速、灵活机动、高效稳定、监测成本较低、耐腐蚀等优点。

3系统设计

无人机控制方式分为完全离线飞机与半离线飞机,完全离线飞机不与地面系统进行交互,自动完成飞行任务,并在执行完任务后自动返航或在指定地点降落:半离线飞机在执行飞行任务时,由地面系统进行指令控制,人工遥控其飞行,并在紧急情况下执行地面系统的紧急命令。由于水质监测任务地形的不确定性,水质监测适合使用半离线飞机的控制方式,即勘查员遥控无人机进行水质监测。

无人机系统主要分为中央控制模块、动力模块、能源模块、传感器模块、通信模块、检测模块。中央控制模块搭载运算快、稳定、功耗低的STM32处理器,可以接入多种监测类传感器,并能产生多路信息输出,适合无人机复杂系统的控制。动力模块中,飞行控制命令通过主控处理器传输信号至四个电调器,电调器将指令信号转换为电流大小信号,无人机上面四个无刷电机的转速就跟通过的电流大小呈线性关系,中央控制模块输出指令到动力模块从而实现驱动无人机的功能。能源模块为锂电池组,对电池的电压电流检测并通过SOC估算,提高无人机的安全性和稳定性。传感器模块读取GpS、加速计、陀螺仪、磁罗盘等传感器部件数据,并将数据传输至主控处理器处理,提供主控处理器控制飞行的数据依据。通信模块采用轻量级Mavlink协议,该协议优点是可以被遥控接收器、飞控程序、pC计算机、手机App程序和其他程序同时使用。检测模块中,主控处理器通过电缆与水质检测仪器通信,水质检测仪器对探头传输的数据进行分析及记录,并反馈至主控处理器。

4结语

本文对水质监测的应用需求进行分析,总结无人机的性能需求,提出了一种应用于水质监测的无人机。分别从结构设计与系统设计两个方面研究总结,该无人机具有反应迅速、灵活机动、高效稳定、监测成本较低、耐腐蚀等优点,可为水质监测领域提供应用参考。