面向水质环境监测无人船控制系统研究

【摘要】：随着江河湖泊的逐步深入开发,人们对无人船的认识和需求都在不断加强,无人船智能化发展受到科研人员越来越多的关注。同时水是人们赖以生存的重要资源,人类对水资源问题越来越重视,水质监测因此变得越来越重要。而常规水质监测需要建立密集型全自动化的监测站,投资巨大,而且需要长期的维护工作。而有时需要人工操作船舶到指定点采集现场水样,无疑降低了监测效率。采用无人船进行水质环境监测,具有动作快、动态多点采样、数据实时更新等优点,大大降低工作强度、提升监测效率,减少成本投入以及降低了风险系数。而本文主要对无人船的系统性设计以及研究控制系统,将无人船应用于水质环境监测中。针对面向水质环境监测无人船的系统采用模块化方案设计,在动态无人船平台上放入水质信息检测模块,同时加入现场环境图片采集实现基于无人船的水质环境监测系统设计。在无人船的硬件设计上,除了水质检测模块外,将船体上硬件分为:嵌入式控制板模块、运行控制系统模块、通信模块以及电源模块。由STM32主控制器控制整个系统的运行,驱动方式为两个无刷电机螺旋桨提供推力,转向是通过两个电机的转速差来实现的。无人船使用北斗定位模块,可以获得无人船机体的经纬度、轨迹航线等信息,姿态传感器提供无人船水面上运行的姿态。采用无线通讯模块可以实现远距离信息传输,通过串口RS232与其他模块通讯,达到发送和接收信号数据的效果,无人船通过串口RS232与上位机、船载控制器STM32主控制连接。当无人船的无线通讯模块参数设置过后,通过预先设定的通讯协议传输信息,无人船上通信模块和PC通过双向通讯实现数据无线传输。在下位机软件部分,应用MDK5.14开发环境,使用C语言程序编写下位机控制板系统。无人船运动模型建立是应用在无人船的控制问题前提,针对无人船水面运动建立数学模型,设立固定坐标系和运动坐标系,把水面运动的无人船数学模型分为运动学模型和动力学模型,通过建立无人船水平面三自由度运动方程、粘性水动力方程、电机螺旋桨推力方程、无人船艏摇角速度方程,以此得到无人船在水平面运动的控制系统状态方程来建立无人船运动模型。通过MATLAB仿真平台软件模拟验证无人船在水面直线航行、Z字形航行和差速回转航行状态。在直线航行仿真实验中,得到无人船在保持双电机螺旋桨相同转速时,克服外界干扰,保持直线航行的状态。在Z字型航行仿真实验中,无人船的艏摇差速越大,无人船的在调转方向回艏半径小,在一定的范围内机动性能越好。在差速回转仿真实验中,双电机的转速差值越小时,路线回转半径就越大。通过建立模型仿真模拟,为无人船水面控制系统奠定了坚实的基础。无人船在水面运动时航向和路线具有非线性、不确定性控制等特点。应对以上问题,无人船目前的控制应用较多的是自适应控制和滑模控制两种方式。而无人船水质监测过程中,经常需要动态跟踪提前设定的行驶路径,对目前的制导律的参数确定不准确、视线法稳定性较差等缺点,采用基于视线法的模糊PID路径跟踪算法应用于无人船路径跟踪控制。对视线法路径跟踪实现方式做了详细说明分析,通过将问题转化为求取航向角的方式来实现路径跟踪。结合模糊PID控制器和运动模型应用于无人船路径跟踪,仿真模拟了该方法在路径跟踪上的优良性。针对无人船水面监测环境过程分析了基于人工势场法无人船避障方法,通过将建立完成的模糊PID控制和无人船运动模型用于人工势场法的避障研究中,应用仿真软件模拟验证了该方法可行性,同时解决了局部极小值和障碍物附近目标点不可达的问题。在无人船的实际应用上,将无人船实际应用于水质环境监测中。通过搭建无人船整体的实物模型,以无人船为基础组建一套动态的水质环境监测快速平台,满足多点、快捷、远程湖泊水域的水质监测。在无人船运动控制研究上,在上海海洋大学内湖做现场实验,完成无人船在水面直线航行路线跟踪和避障实验。通过无人船搭载的水质环境监测模块获取五点水质信息采样检测与一处的现场图像信息采集。