基于多传感器融合的菌剂投放船

李勇，顾夏，罗尹政，双丰*

(1.广西大学电气工程学院， 广西南宁530004；2.广西电力装备智能控制与运维重点实验室， 广西南宁530004)

0 引言

随着经济的高速发展，我国的城市化进程也在不断推进，同时也产生了一系列的环境问题，尤其是水体环境的污染问题[1]。大量的污水及工业废水等不达标的废水未经过妥善处理就排放到水体环境中，使得水体遭受到不同程度的污染，水体中的污染物含量严重超过水体的自我净化能力，造成了严重的环境污染，给生态环境[2]与生物健康带来了巨大的影响。根据国家生态环境部发布的2020年全国生态环境质量简况，2020年重要湖泊(水库)水质状况中重度污染的占据了5.4%，中度污染占比2.7%，轻度污染占15.2%，可以看出较大部分的湖泊(水库)的水质遭受不同程度的污染，解决水体污染的任务迫在眉睫。

我国的水环境生态治理[3-4]过程自21世纪开始，至今仍然为消除黑臭水体和生态修复阶段，主要采用控源截污、清淤疏浚、植物修复、生态护岸[5]等治理技术。随着绿色、高效、持久的理念不断发展，生物技术在水体环境资源治理领域的应用尤其受到重视，特别是随着生物技术的发展，微生物菌剂[6-8]及相关技术在环境保护领域的应用更加广泛，特别是在污染治理方面的表现尤为突出。

然而，在大部分利用投放微生物菌剂治理河道污染[9]的场景中，微生物菌剂的投放工作通常采用人工划船投放的方式，这种人工投放的方式不仅工作量大且效率不高，需要人工划船到达指定点后再进行投放，往往无法精确地到达指定位置实现精准定量投放，而且在行进的过程中难以实现均匀的投放菌剂。此外，人工投放的方式受到投放者技术水平的限制以及河道的具体情况影响，在投放的过程中可能存在菌剂投放不均匀、菌剂浪费等问题，不利于菌剂的高效利用。这种投放方式需要投入大量的人工成本，并且在地理位置相对较复杂，特别是在操作人员不熟悉的环境中工作时存在安全隐患，因此基于无人船[10]的菌剂投放治理在当前环境下具有巨大的应用潜力[11-12]。

为了改进菌剂投放工作者执行重复性、长周期的工作模式，近年来一些无人船被应用到水面工作[13-15]中，如水质监测、油污测量、河道测量无人船等，但是许多无人船如文献[16]提出的无人船控制系统依赖于云端服务器转发控制指令以使无人船工作，存在实时性弱、对网络环境要求较高的问题，而且易受外界干扰，精度和稳定性不高。针对上述问题，本文主要研究无人船在菌剂投放工作中的智能化应用，主要解决菌剂投放精准度低、均匀性差且具有危险性与无人船领域内的相关应用对网络环境要求高、通信易受外界干扰的问题，特别是解决在菌剂投放过程中的人力投入问题，完成了无人菌剂投放船的船体外围传感器、模块的驱动集成与平台基础搭建；导航、环境感知与处理的调试，整船算法与功能集成与调试。相较于文献[16]提出的无人船，本文中的菌剂投放无人船系统可以控制投放船独立完成巡航与菌剂投放，一定程度上减少了对船体远程操作的环境要求与菌剂投放的人力成本，同时增加了图像传输子模块以了解投放船工作环境，提升了菌剂投放工作的安全性，满足替代传统菌剂投放方式的基本功能需求。

1 菌剂投放船平台设计

1.1 系统平台总体设计

本文设计的投放船搭载了图像、液位、惯性传感器与喷洒泵等部件，无人菌剂投放船外观如图1所示。

图1 无人菌剂投放船外观

其中，动力电机与桨叶、电机驱动共同构成船体动力模块；惯性传感器(inertial measurement unit，IMU)与GPS(global positioning system)传感器组成定位与导航模块；菌剂喷洒模块由流量计、喷洒泵、驱动模块与液位传感器组成；图像采集与传输模块由图像传感器与图像传输模块构成；声光模块由LED灯和蜂鸣器组成，投放船的系统框架如图2所示。以上模块共同组成投放船控制系统[17]的硬件部分。

图2 投放船的模块框架

无人菌剂投放船控制系统的软件架构部分分为3层，即控制决策层、状态监测层与底层驱动层，投放船的系统架构如图3所示，状态监测层主要负责采集船体搭载的如惯性传感器、液位传感器、GPS传感器等外围传感器及动力电机、电池的状态数据，并将数据解析与再编码后传输至控制决策层；控制决策层通过主控制器运算处理无人船的各项状态数据从而做出相应的决策，如将船载的惯性传感器的数据融合后得到航向角、俯仰角及翻滚角的数据，以判断船体是否偏离航线或船体姿态是否安全等。若判断出船体状态存在如船身偏离航线或周围出现障碍物的异常情况，则做出预警提示并将决策操作下发到底层驱动层，从而将决策指令分发到各模块，通过对外部硬件单元的控制实现各项功能，如驱动船体动力电机带动螺旋桨转动，控制船体达到相应运动状态。此外，状态监控层还将船载关键信息如船体具体姿态、运行参数等状态信息通过通讯模块回传至上位机进行相关处理。

图3 投放船的系统架构

1.2 船体动力模块

图4 船体的运动模型 Fig.4 Motion model of ship

船体动力系统采用差分驱动控制模型[18]，使用脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)技术驱动动力电机，通过脉宽调制分别改变左右动力电机的驱动电压以控制船尾螺旋桨的推进速度差，从而达到对船体的运动控制。船体的运动模型如图4所示，当2个螺旋桨推进速度一致时，船体直线运动；当2个螺旋桨推进速度不一致时，船体进行转向运动。船体的运动速度v、角速度ω与转弯半径r与螺旋桨的轴距l及左右螺旋桨的推进速度vl、vr关系如式(1)。主控制器根据船体的位置与任务信息决策投放船的航向，底层驱动层将航向信息解算为电机驱动板的驱动参数，从而分别驱动两侧动力电机，调整控制投放船的航向。

(1)

1.3 定位与导航模块

由于湖面或河道可能存在因地形环境形成遮挡而导致的GPS信号弱、精度低等问题，因此船体采用了GPS模块S1216F8-BD(GPS/北斗双模定位)与惯性传感器组合的GPS/DR组合导航[19]定位方式，GPS与IMU耦合结构如图5所示，设计中采用GPS与IMU松耦合的组合结构，GPS与IMU分别独立工作并各自提供导航参数。主控制器实时采集IMU传感器数据后进行姿态解算输出船体当前的坐标p、速度ν、加速度a与姿态数据，同时读取GPS模块的位置、速度信息，采用卡尔曼滤波器[20]滤波后计算二者的数据差值，建立估计惯性导航系统(INS)的误差模型并利用误差对惯性导航的数据信息进行修正，推算出运动航迹[21]与船体的精确定位信息。

图5 GPS与IMU耦合结构

图6 路线规划示意图 Fig.6 Schematic diagram of route planning

投放船根据上位机或任务计划更新运动目标点，由定位与姿态融合部分确定船体所在的世界坐标点，并以当前坐标点为起点向目标点规划路线。船体运行的路线规划示意图如图6所示，以正北、正东方向建立坐标系，投放船的坐标点为a点，目标点为b点，根据电子罗盘得出船体当前航向与正北方的偏航角为β，目标点b与坐标点a形成的路线偏航角为φ，由θ=φ-β可以计算出路线偏差角θ。因此，主控制器可以实时根据路线偏差角θ驱动动力电机调整船体方位，同时更新船体所在的坐标点，再实时规划运行路线，通过不断重复调整驱动，达到巡航投放菌剂的目的。

1.4 无线通讯模块

投放船与远端上位机的无线通信采用LoRa无线模块E22-400T22D完成无线通信，该模块基于Semtech公司的远距离、低功耗无线收发芯片SX1268设计，相比于SX1278芯片，SX1268具有更远的传输距离与更高的传输速度，同时比SX1278的功耗更低。通信协议与特性对比见表1，LoRa(long range radio)扩频通信技术具有比WiFi、蓝牙通信更远的通信距离、比WiFi与移动数据通讯方式更低的功耗，同时LoRa还支持用户定义通信密钥，极大地提升了通信数据的安全性。虽然LoRa的带宽相比WiFi与移动数据的带宽更小；但由于投放船需要传输的指令与运行状态数据量较小，因此采用LoRa作为投放船的通信方式，能够满足数据传输要求。在使用中，LoRa模块的工作频段设置为433.125 MHz，空中速率设定为2.4 kbps，最大发射功率为22 dBm。

表1 通信协议与特性对比

远端上位机将任务或控制信息编码后通过LoRa无线通讯模块发送至投放船，投放船的主控制器读取通讯模块接收的信息数据并进行数据校验，解析出通信数据中包含的任务及控制命令，从而修改投放船的运行参数或调整航行目标路线，并且将执行结果与船体信息数据回传至远端上位机。

1.5 菌剂喷洒模块

菌剂喷洒子系统由流量传感器、喷洒泵、流速调节驱动、液位检测计构成，喷洒泵的出口与喷头连接以使菌剂能够均匀雾化。喷洒子系统如图7所示，子系统接收到主控制器下发的喷洒等级控制数据后，根据预设等级计算并改变至对应的PWM脉冲，从而达到预期的喷洒效果。PWM占空比D、喷洒泵电源电压Vs与PWM控制输出电压Vout关系如式(2)，可以通过不断调整PWM占空比实现调压从而调整喷洒泵的喷洒速度。如式(3)所示，船体的喷洒模块电源为12 V，当喷洒等级设定为最高等级时对应的输出电压Vout应为12 V，此时喷洒的PWM占空比D1应设置为100%。

为了保证喷洒系统的精确控制，我们在喷洒管道中串联了流量传感器来反馈菌剂的流速，流速计算如式(4)，CP为1 s内流量传感器输出的脉冲数，流量传感器每计满1 L流量产生2 340个脉冲，SL为菌剂通过传感器的流速。控制器可以通过流量计的反馈数据计算得到流速SL，从而详细了解菌剂喷洒情况，实现精准定量的投放。此外，液位检测作为喷洒装置的余量监测的核心功能是不可或缺的，而船载菌剂容器有拆装要求，因此采用非接触式液位检测的方式来监测菌剂余量，通过检测液位位点信号实时反馈容器内菌剂液位，判断余量是否低于报警阈值，若低于设定报警余量，则主控制器驱动声光模块报警提示投放船的菌剂余量不足。

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(3)

(4)

图7 喷洒子系统

1.6 图像采集与传输模块

投放船工作环境的图像信息对船体的安全监控具有重要意义，是对于远端操作维护人员的重要参数，甚至直接影响投放船的投放安全性与效率。投放船采用基于WiFi 802.11 b/g/n协议的TS5887图像传输模块完成环境图像的传输，该图传模块支持NTSC制式的图像数据传输，具有较好的兼容性。子系统通过船体搭载的摄像头实时采集船体运行过程中的前方环境图像，并对图像传感器获取到的图像信息进行处理，同时将处理后的图像数据传输至图像传输模块，从而通过图像传输模块将船体工作环境的图像数据进行视频编码并传输至上位机用以监测，减少主控制器的工作负荷。无人船传回的图像如图8所示，该图为船体在广西大学鉴湖工作时通过图传模块实时传回的图像(分辨率为640×480像素)，其中左图为投放船驶向岸边并距离岸边较远时回传的图像，右图为投放船靠近岸边时回传图像，远端操作维护人员能够通过无线图像传输模块实时回传的图像了解投放船工作过程中的如植物、障碍物等环境信息。

图8 无人船传回的图像

2 实验与结果分析

为了评估投放船在水面治理菌剂场景中的实际运行效果，本文对投放船在远程通信性能、菌剂投放均匀度、不同投放等级下投放效果进行了测量实验，并依据测得数据对投放船进行性能与问题分析。

2.1 投放船远程通信性能

本设计中，投放船的工作任务切换与下发、远程接管是以无线通信为核心的，为测试投放船远程无线通信性能，分别在空旷场景与有树木遮挡的场景下对投放船的通信距离与信号强度进行实验，由于E22-400T22D模块获取的信号强度值Rssi(received signal strength indication)不同于FSK/OOK调制模式所表示的信号强度值RssiFSK/OOK,因此将获取的信号强度值Rssi转换为RssiFSK/OOK便于对比，转换关系如式(5)所示。

RssiFSK/OOK=-256+Rssi

(5)

在两个场景下实验测得的通信距离与信号强度分布见表2，绘制得通信距离与信号强度分布如图9所示。

表2 通信距离与信号强度分布Tab.2 Distribution of communication distance and signal strength dBm

图9 通信距离与信号强度分布

根据中国移动制定的规范，设备接收信号在城市大于等于-90 dBm(乡村取-94 dBm)则满足覆盖要求，本实验对投放船的无线通信信号强度进行了测量，通信距离与信号强度分布及衰减情况如图9所示。实验证明无线通信的信号强度随着控制距离的增加，信号强度整体呈下降趋势，特别是在有树木遮挡的场景中相比空旷无遮挡的场景中的信号强度衰减更快。据通信距离与信号强度分布表可以看出，即使在有树木遮挡的环境中，投放船的通信距离达到700 m时信号强度仍大于-90 dBm，满足基本的信号覆盖要求。

2.2 菌剂投放均匀度

为测试投放船载菌剂投放的均匀度，实验采用6个材质、大小相同的采样容器在喷洒投放范围内均匀分布并进行采样，通过采样点的浓度对比以分析在投放喷洒菌剂过程中的喷洒均匀度。本次实验分别在无风、有风场景下进行两轮测验，并对6个采样点中每个采样点得到的200mL水样进行检测分析，在采样点的菌剂浓度分布见表3，绘制得采样点浓度分布如图10所示。

表3 采样点浓度分布Tab.3 Concentration distribution of sampling points %

图10 采样点浓度分布

通过对计算在6个采样点处采样检测的浓度标准差，投放船在无风环境下的两轮实验的平均采样浓度标准差为2.979 09，通过喷洒均匀度的对比可以看出：在无风环境下的菌剂投放过程中具有一定的投放均匀性；然而尽管在有风环境下的两轮实验的平均采样浓度的标准差仅为1，但在每轮测试中较无风情况下的喷洒效果削减较大且存在更大的标准差，分析其原因为由于菌剂的喷洒随不同的风向变化，在风向的影响下菌剂的投放效果与均匀性有所降低。由实验分析可知，在无风环境中两轮中本文所设计的投放船在菌剂投放过程中的投放效果较好，采用投放船投放菌剂的均匀性优于人工投放的方式，能够在所覆盖的区域中实现菌剂的均匀投放，但在有风的环境中的投放效果与均匀性受影响较大，在未来的工作中需要考虑风向等环境因素干扰导致的精度损失问题。

2.3 投放等级设置与效果

为了适应不同菌剂剂量需求的场景，投放船控制系统根据10%至100%占空比设计了9个不同的菌剂投放等级，等级1设定驱动喷洒泵的PWM工作在10%占空比，等级2设定PWM工作在20%占空比，相邻等级之间设定10%的PWM占空比为等级差，以此类推，最大投放等级为100%占空比，系统共设定9个投放等级以满足不同剂量需求的情况。本文对投放船在不同投放等级下的投放流量进行两轮测量，以实际每分钟通过流量传感器的流量计算菌剂喷洒速度，测得各投放等级下的流速(L/min)见表4，绘制各等级的流速分配情况如图11所示。

表4 各投放等级下的流速Tab.4 Velocity of flow at each delivery level L/min

图11 各等级的流速分配情况

此外，投放船在菌剂投放过程中的可覆盖范围对于菌剂的精准投放非常重要，为了了解投放船的投放菌剂的覆盖范围情况，我们对设定的不同等级下的投放覆盖范围(半径)进行了两轮测验，实验中量取喷头到菌剂喷洒范围的边界之间的距离为该投放等级下的可覆盖范围半径，实验测得各等级的投放覆盖范围(半径)见表5。

表5 各等级的投放覆盖范围(半径)Tab.5 Coverage at each delivery level (radius) cm

由各等级的喷洒速度情况图可以看出，本文中设计的菌剂投放船在不同投放等级下的流量喷洒速度控制曲线能够基本满足预期的线性控制要求，由各等级的投放覆盖范围(半径)表可以验证在各个投放等级下能够达到对菌剂覆盖范围的梯度控制，投放船的菌剂投放的覆盖范围最大可达130 cm。投放船可以根据相应投放等级的速率来控制投放时间，从而精准控制在某一点处的菌剂投放剂量，此外，可以通过控制投放船工作在不同的投放等级以调节菌剂投放范围，从而实现菌剂投放的精准控制。

以上实验表明，本文设计的投放船具有较大的远程控制范围，在距离上位机700 m内并且有树木遮挡的区域内仍能够满足信号大于等于-90 dBm的基本信号覆盖要求，此外，投放船通过设定不同的投放等级能够较为精细地控制菌剂的投放量与投放区域，改善人工投放方式的精度难以控制及投放均匀性较差的问题，使菌剂投放工作更加安全、科学。

3 结论

本文阐述了传统河道治理过程中人工投放菌剂的状况和缺陷，并且为了改进当前菌剂投放的人工方式的不足提出并设计了一种智能菌剂投放无人船，完成了无人菌剂投放船的外围传感器、模块的驱动集成与平台基础搭建。无人船具有巡航投放、环境监测、远程控制、投放可控等多种功能，并通过实验对投放船在湖面的菌剂投放、无线通讯等功能进行分析测试，实验表明设计的无人投放船满足替代传统菌剂投放的基本功能需求。本文提出的投放船能够弥补传统菌剂投放模式的低精度、长周期问题，一定程度下降低了人力成本与人工操作的危险系数，通过菌剂的智能投放能够使环境治理任务更加绿色、科学。

本设计完成了无人菌剂投放船的外围传感器、菌剂投放等模块的平台搭建，能够满足基本的菌剂投放功能要求，但是在实验中发现并总结了一些需要完善和改进的设计点：

①由于船身设计的限制，未能搭载水质检测传感器或水质采样装置，不能在完成菌剂投放工作后对水质进行监测与分析；

②在环境治理的过程中，环境参数数据能够为环境治理提供重要的依据与实际参考，本设计中的无人船暂未收集菌剂投放过程中的环境变化数据，并整合构建数据库以预测环境治理的周期并制定合理的治理方案；

③投放船控制系统在菌剂投放工作中可能存在诸如风向、遮挡等环境因素干扰导致的工作精度损失问题，在未来工作中将综合考虑系统控制误差与环境因素对精度的影响；

④船体搭载的图像采集与传输模块在目前阶段只用于投放船工作时的环境情况采集回传，暂未进一步利用图像信息对环境进行语义分析。未来的工作中将利用多传感器对菌剂投放无人船在复杂环境中的物体进行检测分析，增强菌剂投放无人船的控制系统在复杂环境中工作的智能程度。