基于混合路径规划的水质监测无人船系统研究与应用
近年来，随着国内水产品消费量的快速增长，水产养殖业也得到了较快发展。但是同时也对养殖鱼塘的水质产生了较大影响。大部分水产品的生长都高度依赖水质条件，水质的变化会直接影响到水产品的正常生长，同时水质变化也是动态的过程，这使实时水质监测变得极为重要。 本文为避免传统水质监测方法监测范围受限、检测周期长、成本高等缺点，在分析国内外无人船及其关键技术研究现状的基础上，设计了一种基于混合路径规划的水质监测无人船系统，可以实现高效便捷实时的水质监测。为了使水质监测无人船能够应对各种环境并且安全无碰地到达待测点，本文主要针对未知静水或低流速水域环境中无人船的全局静态路径规划和局部动态实时避碰及相关问题进行研究。具体工作内容和研究成果如下： （1）设计并验证了基于改进鲸鱼优化算法的无人船全局路径规划算法。针对原始鲸鱼优化算法应用在无人船全局路径规划方面所存在的缺陷，设计了相应的改进方法。针对算法搜索范围局限的问题，引入灰狼算法的等级制度策略进行改进，有效避免算法陷入局部最优解；针对算法收敛问题，引入微分进化算法中的选择操作进行改进。同时考虑到无人船的运动特性，算法加入了路径长度、平滑性和安全性等约束条件。 （2）设计并验证了基于改进人工势场法的无人船局部动态实时避碰算法。针对人工势场法应用在局部动态路径规划方面所存在的缺陷，设计了相应的改进方法。针对目标不可达问题，加入了改进的势场模型，使得无人船可以突破障碍物斥力的影响到达目标点；针对局部极小值问题，引入模拟退火法的思想，利用生成的随机路径点摆脱合力的约束。同时在无人船动态避碰中，引入转向角度和转向速度的约束，避免无人船紧急避碰时发生较大幅度的变向和超出可控范围的速度。 （3）设计了无人船混合路径规划机制。将全局静态路径规划算法和局部动态实时避碰算法进行融合处理得到了混合路径规划机制，弥补了各自功能上的局限，提高了无人船路径规划的可靠性和灵活性，仿真实验结果验证了该方法的可行性。 （4）设计了无人船物联网系统软硬件结构。搭建了无人船的硬件平台，硬件平台主要包括主控制器模块、无线通信模块、信息采集模块、超声波避碰模块、动力输出模块。设计并实现了水质监测无人船的软件系统，主要包括下位机控制程序和上位机监控程序。并在软硬件的设计基础之上，完成了无人船的下水实验，实现了无人船的自主导航功能。
水质监测无人船;路径规划;避碰功能;鲸鱼优化算法;人工势场法;物联网
江苏大学
硕士
农业电气化与自动化
刘星桥
2022
中文
U674.830.34
2022-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）