[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出一种基于SWATH技术与PID控制的自主水面航行器（ASV），用于通过Xbee模块实现无线传感器数据传输，实时监测水质。ASV在Sungai Pasu河成功测量了pH值和电导率，与实验室结果高度一致，但温度影响导致电导率读数存在1–2 mS/cm的偏差。

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.

研究动机与目标

• 为解决河流与湖泊中人工水质监测效率低下且劳动强度大的问题。
• 开发一种低成本、自主的水面航行器，能够实时远程监测关键水质参数。
• 通过以自动化、远程操作的系统替代人工采样，提升数据采集速度并增强安全性。
• 利用Sungai Pasu河的实地数据，验证ASV性能与标准实验室方法的一致性。
• 评估此类ASV在污染或难以抵达水体中进行环境监测的可行性。

提出的方法

• 采用PVC材料设计小型水动力翼面积双体船（SWATH）ASV，以提升稳定性并减少波浪干扰。
• 利用MATLAB与Simulink仿真实现比例-积分-微分（PID）控制器，用于航向控制。
• 集成GPS与数字罗盘，实现航行过程中的实时导航与位置追踪。
• 为ASV配备无线传感器，用于测量pH值、电导率（EC）与温度，并通过Xbee模块传输数据。
• 采用Arduino Mega 2560作为主控制器，负责推进器指令与传感器数据采集的管理。
• 应用Nomoto模型对车辆运动的动力学与运动学特性及控制响应进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 具备SWATH设计与PID控制的自主水面航行器是否能在自然河流环境中实现稳定且精确的导航？
• RQ2 ASV在测量关键水质参数（pH值、EC）方面，与标准实验室方法相比，其准确性如何？
• RQ3 环境因素（如水温）对现场部署的ASV传感器读数的影响程度如何？
• RQ4 ASV能否可靠地通过无线方式将实时水质数据传输至远程控制站？
• RQ5 在基于现场的水质监测中，使用低成本元器件存在哪些实际限制与性能权衡？

主要发现

• ASV测得的pH值与实验室测量结果高度一致，范围在6.8至7.14之间，确认水质处于安全pH范围（6.5–8.5）内。
• 由于温度差异，电导率（EC）读数存在1–2 mS/cm的偏差——实验室测试温度为21°C，现场测试温度为31°C，因EC值随温度升高约每摄氏度增加2–3%。
• 马来西亚水质指数（WQI）表明，该河段EC值（13–14 mS/cm）超过可接受限值6000 µS/cm（等效于6 mS/cm），提示溶解固体量较高。
• ASV成功通过Xbee模块将传感器数据无线传输至岸基计算机，实现实时监测与远程数据访问。
• 实地验证证实ASV可在自然河流环境中稳定运行，支持其在难以进入或危险水域的应用。
• 研究结论指出，该河流需通过混凝、絮凝、沉淀与消毒等处理工艺，以降低溶解固体量并改善水质。