方舟計畫
【Ark Hanger大型機棚廠】遠端自動化水質監控無人機系統
完成度100%
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【Ark Hanger大型機棚廠】

想知道如何自造一台大型機嗎?

還是想了解大型機除了空拍,還可以做什麼應用呢?

來到我們大型機棚廠,可以學會大型機的DIY組裝,也可以了解在感測監控可以做哪些應用,

甚至是還有哪些擴充套件可以搭載在我們的大型機上。

只要是對大型機有任何興趣,來這邊就對了!

自己的環境自己救!     

        根據行政院環保署 2005 年環境水質監測年報指出,在台灣全長 2904.2 公里的流域中,受污染的比例已高達 64.2%。ArkLab怎麼能坐視不管呢?
        

        透過隨手可得的材料和開放硬體,並使用 GSM 網路串連製作出整合型的監控平台。此平台可迅速計算河川之涵容能力,並能即時比對各集流分區之容許污染排放,滿足第一階段所需之調查作業,作為制定高階管理辦法之有力參考。
 

一、系統設計

此系統可分為三大部分:無人飛行載具、水質監測系統、整合監控介面。整個系統須整合圖資、無人飛行載具控制、監測資訊資料庫、及地理資訊系統方便呈現並以 GIS 分析判斷汙染源或擴散範圍。飛行數據、影像及水質數據皆透過不同頻段的無線傳輸方式回傳至使用者介面進行資料整合。

  →無人飛行載具水質監控系統架構圖

 

→無人飛行載具水質監控系統設計圖

 

(一)機架與動力配置

 

此作品的作業環境較為特殊,故須有良好的防水以及具備水面漂浮的能力。我們設計了浮筒使其能夠漂浮與水面上,每具浮筒的體積為 1316.33 立方公分,在一般水體中約可提供 1300 g 的浮力。飛機規劃四組共計 5200 g,高出機體本身重量許多,且在重心之上的設計可防止飛行器重摔時翻覆。


 

→浮筒材料特性分析
         

        設計之初透過 eCalc 進行模擬,這套網頁板程式自 2004 年上線以來持續提供基於 Web 的 rc 模型分析計算服務,且持續的更新各家馬達的資料庫以提供最佳的服務,一般使用者是無須付費的。(網頁連結: http://www.ecalc.ch/indexcalc.htm)可以選擇各種不同航模的模擬,有固定翼飛機、多旋翼、直升機、導風扇飛行器,這裡則選擇多旋翼計算器。


→Ecal 航模分析軟體
   

        本次電裝配置:Sunny sky 4110S 400KV 、新西達 30A 電變、5200mah Li-Po,含感測器模組約重 2.2 kg,經軟體模擬出來的懸停時間為 21 分鐘,尚在可接受範圍。


 →Ecal分析結果

 

(二)遠端水質感測器

 

水質感測模組必須要有類比訊號擷取、長距離無線通訊的能力,此次選用 Linklt ONE 開發板即是因他在通訊及 GPS 系統的高度整合性,非常適合用做此種廣域的環境監控專題之中。
 


水質監控模組功能方塊圖

 

Linklt ONE 開發板

 

感測器模組為求輕量化使用碳纖維板材加工,預留不同種類感測錶頭位置可供擴充,中間設計了一容量為 500 ml 的儲存瓶,可透過直流 12 V 驅動的小型抽水馬達汲取樣本。
 


水質監測模組設計圖

 

本團隊設計之無線水質檢測器考量 Linklt ONE 只有 3 支類比輸入腳位,規劃檢測項目為水溫、pH 值、電導度(EC)值。內部由單晶片讀取各通道感測器的數值,整合 GPS 位置資訊後將資料封包透過 GPRS 模組經由無線通訊網路傳送至主控端資料庫。
項目            PH            Temperature         ORP            EC
範圍           0.0~14.0   0~125℃               ± 1999 mV  0~20 mS
                  ± 0.02       ± 0.02℃               ± 1mV          ± 50uS



(三)遠端監控介面設計

 

監控平台以 C# 進行開發,結合 Google 地球(Google Earth)可將照片、道路等圖資置於一個地球三維模型上。本平台使用者可由 KML 檔分享所處區域的地理資訊結合照片、影片、軌跡…等等。監測器回傳的資料可即時定位在地圖中,並附帶所在位置的水質檢測值,所有任務資訊皆可以 KML 格式的檔案保存。使用者控制介面亦可下達控制命令要求資料,確認監測器所在位置及電量等資訊。



監控平台



結合 Google Earth 的監控平台


二、加工組裝

(一)CNC、3D Printer 數控加工

 

機體外型使用輕量化的碳纖維板,透過桌上型 CNC 切削而成。上板與下板間透過鋁合金管夾鎖固,主軸使用碳纖維管增加強度。
 


飛行器主板加工

 

部分有卡榫、螺紋的零件我們使用 3D Printer 加工,為確保輕量化效果,填充率僅 10%。
 

3D 列印件加工

 

(二)水質感測模組

感測器主板 Linklt ONE 須做防水處理,我們將其置於防水箱中,僅外露 BNC 接頭與錶頭連接,其餘縫隙皆由橡膠條加壓填縫。



Linklt ONE 感測模組防水處理


(三)飛控設定

飛控電腦我們採用 Pixhawk ,依序安裝完馬達、接收器、數據傳輸後還要進行設定,最重要的有兩個部分,分別為加速度計較正及地磁校正。



Linklt ONE 感測模組防水處理
 


羅盤校準畫面


 

三、飛行測試

(一)飛行實測

本次專案測試內容因航程僅 1.2 km 尚在遙控器訊號可達範圍故採用第一人稱視角(First-person view,FPV)的方式進行水面降落,透過回傳畫面也能夠判斷河川與大排交會處的水色變化而進一步追蹤判斷水質狀況。
 


水面測試

 

(二)遠端回傳水質數值

 

感測器一接觸水面即可透過此介面遠端監控當下水質狀況,介面設計有數據圖形化檢視窗可立即判斷水質變化,實驗過程設定每15秒發報一筆數據,可即時透過介面修改回傳頻率,兩筆數據間也可透過操作人員主動要求資料。任一時間點若水質出現急遽變化系統會透過介面立即警示。
 


水質狀態遠端監控介面操作過程

 

四、紀錄與未來發展

根據環保署公告之各類水樣採樣方法(NIEA W104.51C)河川、湖泊及水庫水質採樣通則所述之採樣辦法:河川之採樣方式基本上分為涉水、艇筏或船隻作業、橋上測定等橫越河川斷面方式。施行現場採樣作業時往往會因地形複雜與易達性等問題增加作業難度,透過本研究使用之無人飛行載具,將能達到即時且多點監測採樣,人員無須親自至現場透過影像即可辨別水色,結合檢測模組所回傳之pH、水溫、電導度等數據,有效且大範圍實施檢測。

專案中使用的 Linkit ONE 開發板尤功不可沒,妥善的將 GPS、GSM 結合後的功效發揮制淋漓盡致,令數據疊合地理資訊,方便後續的 GIS 環域分析。
 


資料即時回傳

 

        多旋翼無人飛行器可自主起降並執行任務,高度機動性將能克服水質無法實時監控的困難點,對於一個大範圍開放式的水域若要能精準在汙染排放之時取得即時監測數據,並配合影像舉證甚至進行採樣,無人飛行載具將扮演非常重要的角色。使用多旋翼無人飛行器做為監測工具甚至做為機動式監測站,將能有效補足現行定點監測站及人員稽核的不足。

 

廢話不多說,就讓我們來看看無人飛行器水面作業的英姿吧!

 

水面作業影片→
Ark Lab水質監測多旋翼-水面作業測試

Video