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基于嵌入式开发的智能无人船设计文献综述

 2020-04-28 20:19:41  

1.目的及意义

1. 目的及意义

随着时代的进步与发展,我们的生活越来越趋于智能化,但随之而来也出现了许多问题。某些企业为了追求经济的发展,随意的将工业废水排放到河流、湖泊、甚至海洋中去,导致水质变差。水质环境受到破坏,势必反作用于人类本身。例如,人类食用了受污染的水产品,势必会影响到人体自身的健康甚至会导致死亡事故的发生。

面对水质环境受到污染,我们有必要要进行水质环境的监控、预防与保护,目前水质监测的主要手段有人工采集、遥控水下机器人、无人船、无缆水下机器人等。在我国大部分近海海域、河流、湖泊、水库、运河等湿地地区,几乎还是采用人工进行水文数据的采集,如水位、流速、水质、降水、蒸发量等,人工采集存在着很多的弊端,对于一些环境恶劣的区域,采样者存在人生安全或者无法到达采样的区域,再加上人工采集的时间比较长,采样回来可能造成样本变质,严重影响水文信息的分析。遥控水下机器人和无缆水下机器人在某些未知的区域下,设备的通信可能会丢失,而且成本比较高。而无人船有许多独到之处,船体不大,方便航行在各个水域,受外界的约束比较小,具有较高的非常高的灵活性,对无人船的操作也非常简单,同时可以自动采样,造价不高等优点。无人船也将水面机器人技术、数据的网络传输与通信、计算机技术与智能传感器技术相结合在一起了,可以最大限度的在环保水质检测、科研勘测、水下测绘、搜收救援、安防巡逻乃至军事应用领域发挥积极的战略意义。

1.1 无人船国内外研究的现状

无人船作为一种智能化、机动化、无人化、网络化的水面交通工具,在海洋医药领域、海面上的生态监控、海上救援、海上巡逻等领域发挥了及其重要的作用。自从2002年开始美国海军投资巨资进行命名为“斯巴达”高速无人船的研究,无人船“斯巴达”有两种运行方式,摇杆操纵模式和自主式模式。“斯巴达”无人船项目最初主要用于军事领域,项目提出者主要是美国海军,同时也包括美国国防部部长,除此之外新加坡海军也加入了该项目发起。。“斯巴达”是美国国防部选中的概念技术之一,主要承载着沿海地区反潜战、反水雷雷战、情报收集、侦查和监视等。为提高其续航能力,研究者们还研制出压燃重油发动机,其以柴油为动力油,具有较大的高功率密度,为斯巴达的远距离航行提供了强大的保障,同时也提高了“斯巴达”的速度,提高了发动机的效率,使其具有高达720马力/单机的动力。同时,“斯巴达”集人工智能、高精度传感器技术和基于VXZ成像技术的三维数字成像技术相结合,极大增强了其自主航行的能力。

其实,以色列才是真正的无人船的创始者,其中埃尔比特系统公司推出的“银色马林鱼”具有划时代的战略意义。其最大续航能力可以达到550海里,满负载量达2.5吨,若以速度为2.8米每秒的时速,可万方数据无人船控制系统设计与实现以连续航行两天两夜。“银色马林鱼”舰体最大长度约为10.67米,本身重量高达4000千克,该无人舰艇具有自行避障、快速、高机动性等特点,配备了精度较高的CCD电视摄像机,激光瞄准具,精度高达3到5微米的前视红外热像仪和激光测距仪等传感器设备,可以进行电子对抗、侦查、救援、监视与通信,同时舰体装有埃尔比特系统公司的7.62毫米级别的顶端配置武器系统,一种非常精确的武器系统,最大负载量为690发子弹,可以连续射击。

对于无人船领域的研究,国际上以美国、以色列为主导,而中国的无人船起步较晚,不过发展速度却是相对较高的。2008年是一个伟大的一年,一个不平凡的一年,中国举办了举世瞩目的奥林匹克运动会,就是在这一年,沈阳航天新光集团在无人船的研发上取得了突破性的进展,“天象一号”成功研制。“天象一号”是中国史上第一艘无人船,也是世界上第一次将无人船应用领域扩展到气象探测领域,按照北京奥组委的要求,“天象一号”在营口港附近的海域进行试验,并取得了完满成功,各项指标全部符合奥组委的要求,顺利为北京奥林匹克运动会青岛奥帆赛保驾护航。“天象一号”长度为6.70米,宽度极限2.45米,高度高达3.5米,船体重量为2.3吨,船体的材料采用碳纤维作为材料,航行的持久性能力较强,可以在海面连续工作二十天左右。在海洋气象动态观测领域发挥了前所未有的功能,是中国国内无人船发展史上的里程碑,具有划时代的意义。其行驶方式与国际差不多,都是采用两种方式,一种是人工遥控,操作者通过遥控手柄进行可视范围的操作,其次就是自动驾驶,人为的设定目的地,无人船可以自己行驶到约定的地点,当无人船遇到障碍物的时候,无人船可以自主的进行智能化的避障处理。

国内从事研发生产无人船的公司不是很多,武汉楚航测控科技有限公司从2011年从事无人船的研发工作,其研发的北斗无人船集成GNSS、水深测量、陀螺仪、CCD相机等多种高精度传感器设备。航行方式和国际的差不多,都采用人工遥控和自主导航两种航行模式。汉产北斗无人船是我国首批集成了多颗卫星系统的无人船,定位导航可以使用美国GPS定位系统,同时也适应于俄罗斯格洛纳斯和我们国产的北斗导航系统,只要操作员通过上位机给无人船发送相关指令,无人船就能根据中国北斗卫星的定位信息规划自己的航行路线,然后自己可以自动航行,同时将采集到的水文信息和环境参数传输到岸基监控子系统中心,以便进行后续的数据分析。无人船供电方式采用蓄电池,当电量不足的时候,无人船可以智能化的计算往返时间与往返距离,在电量耗尽前返回岸边。无人船的整体平台组成架构主要由A遥控测量无人船子系统和B岸基控制子系统组成。水面上的无人船子系统主要包括:动力系统、电源系统、船上控制系统、测深仪、陀螺仪、GNSS导航定位模块、CCD视频采集头和数据的远程无线通信模块等。通过嵌入式编程和通信技术,实现对船体的控制,以及各个传感器数据的采集、融合和传输。岸基控制子系统主要由交互式界面组成,通过无线传输协议,实时接收、分析、处理和显示遥测船体发送的数据,控制测量船自动或手动走线测量,并实现船只的自动回航,最后对采集的数据进行数据处理以及图件的绘制。

2014年9月3日,在上海举行的2014国际海洋技术与工程设备展览会上,来自珠海的云洲智能科技有限公司研制的“领航者”号无人船吸引了无数人的眼球,。“领航者”号动力系统超强,最大额度可以高达30节的航速,最大负重100千克,它的定位系统支持双模的定位,主要是GPS和中国的北斗,双模定位使定位数据更准确,可以实现全自动的导航和海上作业。同时承载着环境监测、水文测绘、核辐射监测和水文研究等重要课题。“领航者”号是中国无人船史上第一艘高速船,无疑给处于萌芽期的中国无人船行业带了惊喜,同年10月14日,“领航者”号无人船又凭借其特有的国际前沿技术,在第三届开放式创新莫斯科国际创新发展论坛开幕式上,得到了中国国务院总理李克强以及俄罗斯总理梅德韦杰夫的称赞,让中国的无人船事业走向了世界,迈向了国际。

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2. 研究的基本内容与方案

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主要研究内容包括以下几个部分:

本系统主要用于采用嵌入式ARM芯片来控制电动船,通过遥控来控制船(船长为1m左右)的行进,同时通过GPS导航来规划路线,让船能够按照指定的路线来行进。在这个船体上装载(6个)水桶到指定地点来取水质采样,采样高清摄像头来采集数据(实时航拍系统)不要求进行识别。

(1)可以通过遥感来控制船体的转向,如前进、后退、左右转等,灵敏度应较好。

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