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。

2. 研究的基本内容与方案

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。