[論文レビュー] Design and Development of an Autonomous Surface Vehicle for Water Quality Monitoring

Muhammad Mahbubur Rashid, Rupal Roy+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2022

Water Quality Monitoring Technologies被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、Xbeeモジュールを用いた無線センサデータ通信を備えたSWATH技術およびPID制御に基づく自律型水上車両（ASV）を提示し、実時間での水質モニタリングを実現した。ASVはスンガイ・パサ川でpHおよび電気伝導度を測定し、ラボ結果と強い一致を示したが、温度の影響により電気伝導度の測定値に1–2 mS/cmの差異が生じた。

ABSTRACT

Manually monitoring water quality is very exhausting and requires several hours of sampling and laboratory testing for a particular body of water. This article presents a solution to test water properties like electrical conductivity and pH with a remote-controlled floating vehicle that minimizes time intervals. An autonomous surface vehicle (ASV) has been designed mathematically and operated via MATLAB \& Simulink simulation where the Proportional integral derivative (PID) controller has been considered. A PVC model with Small waterplane area twin-hull (SWATH) technology is used to develop this vehicle. Manually collected data is compared to online sensors, suggesting a better solution for determining water properties such as dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD), temperature, conductivity, total alkalinity, and bacteria. Preliminary computational results show the promising result, as Sungai Pasu rivers tested water falls in the safe range of pH (~6.8-7.14) using the developed ASV.

研究の動機と目的

• 川や湖における手作業による水質モニタリングの非効率性と人的負担の低減を目的とする。
• 主に実時間で遠隔監視が可能な、低コストの自律型水上車両の開発を目的とする。
• 手動サンプリングの代わりに自動化・遠隔操作可能なシステムを導入することで、データ収集のスピードと安全性を向上させることを目的とする。
• スンガイ・パサ川からの現地データを用いて、ASVの性能を標準ラボ法と照合して検証することを目的とする。
• 汚染済みまたは到達が困難な水域における環境モニタリングに、このようなASVを展開可能かどうかを評価することを目的とする。

提案手法

• 安定性の向上と波の影響の低減を目的として、PVCを用いた小型水面面積二重船体（SWATH）ASVを設計した。
• MATLABおよびSimulinkのシミュレーションを用いて、ヘディング制御に比例積分微分（PID）コントローラーを実装した。
• GPSおよびデジタルコンパスを統合し、リアルタイムでのナビゲーションと位置追跡を実現した。
• Xbeeモジュールを介して無線送信するpH、電気伝導度（EC）、温度用のセンサをASVに搭載した。
• トルク制御とセンサデータ取得を管理する主要制御装置として、Arduino Mega 2560を採用した。
• 車両の運動および制御応答の運動学的・動力学的モデル化に、ノモトモデルを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SWATH設計およびPID制御を備えた自律型水上車両は、自然な川の環境下でも安定的かつ正確な航行を実現できるか？
• RQ2 ASVは、標準ラボ法と比較して、pHおよびECといった主要な水質パラメータをどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 水温などの環境要因が、現場に設置されたASVのセンサ読み取り値にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 ASVは、遠隔制御ステーションにリアルタイムで水質データを無線で信頼性高く送信できるか？
• RQ5 低コスト部品を用いた現場ベースの水質モニタリングにおいて、実用上の制限要因と性能のトレードオフは何か？

主な発見

• ASVのpH測定値は、6.8から7.14の範囲にあり、安全なpH範囲（6.5–8.5）内に位置しており、ラボ測定結果と強い一致を示した。
• 電気伝導度（EC）の測定値に1–2 mS/cmの差異が観察されたが、これはラボ試験（21°C）と現場試験（31°C）の温度差に起因する。ECは温度が1°C上昇するごとに約2–3%増加するためである。
• マレーシア水質指数（WQI）によると、川のEC（13–14 mS/cm）は許容限度の6000 µS/cm（6 mS/cmに相当）を上回っており、溶解固形物が非常に高いことを示している。
• ASVはXbeeモジュールを介して、岸上コンピュータにセンサデータを無線で正常に送信し、リアルタイムでの監視と遠隔データアクセスを可能にした。
• 現地での検証により、ASVが自然な川の環境下でも正常に動作できることを確認した。これにより、アクセス困難または危険な水域への応用が可能であることが裏付けられた。
• 本研究の結論として、溶解固形物を低減し水質を改善するため、凝集・反応・沈殿・殺菌などの処理工程を実施する必要があるとされた。