摘 要

本文设计了一种城市内湖污染监测的智能无人船，用于实时监测城市内湖水质和污染源，来遏制污染物的持续排放和提高污染治理的效率。

无人船采用双体船型、配重均匀，在PD算法基础上，配合GPS和陀螺仪，能够实现在目标水域稳定航行。无人船根据人工设置的采样点通过离散分析算法，实现以最短的路程到达所有采样点并采集水域水质信息。船上搭载有符合计量认证的哈希五参数水质检测传感器和水样采集设备，既可以实时监测水域水质信息，通过4G或者WIFI通讯模块将其传到云服务器，也能采集水样做进一步的分析。在对同一水域多次巡航后，服务器根据无人船的轨迹和水质信息通过数据可视化处理绘制出水域污染分布图，精准定位点污染源，减少点污染源的定位时间，从而提高污染治理的效率。用无人船设备代替固定点水质检测与大型检测船水质检测，能提高对排污点定位的准确性，提高污染治理效率，能监测传统方式应对不了的复杂水域。

关键字：嵌入式 PID控制 路径规划 水质监测 智能无人船

Abstract

This article designed a kind of city of lake pollution monitoring of intelligent unmanned ship, used for real-time monitoring of urban lake water quality and pollution sources, to curb continuous discharge of pollutants and improve the efficiency of pollution control.

The unmanned ship adopts a catamaran model with uniform weight distribution. On the basis of PD algorithm and with GPS and gyroscope, it can achieve stable navigation in the target waters. According to the artificially set sampling points, the unmanned ship achieves the shortest distance to all sampling points and collects water quality information through the discrete analysis algorithm. The ship carrying a conform to the measurement authentication hash five parameters of water quality detection sensor and water sample collection equipment, can be real-time monitoring of water quality information, through 4 g or WIFI communication module to the cloud server, also can collect water samples for further analysis. In the same waters cruise after many times, the server according to the trajectory of unmanned ship and water quality information through data visualization processing mapped the water pollution, accurate anchor point pollution sources, reduce the positioning time point pollution sources, so as to improve the efficiency of pollution control. Using unmanned ship equipment instead of fixed point water quality detection with large ship water test, can improve the accuracy of discharge point positioning, improve the efficiency of pollution control, to monitor the traditional way can not cope with the complexity of the waters.

Key words: embedded PID control path planning water quality monitoring intelligent unmanned ship

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 2

1.1无人船国内外研究的现状 2

1.2现有水质监测方法分析 2

第2章 水质无人检测方案设计 4

2.1 总体方案设计 4

2.2 下位机系统设计 5

2.3 无人船上位机设计 6

2.3.1客户端软件设计 6

2.4 云服务器功能介绍 9

第3章 自动导航算法 11

3.1 PID算法 11

3.1.1 PID算法的比例控制 12

3.1.2 PID算法的积分控制 12

3.1.3 PID算法的微分控制 13

3.1.4 PID控制算法 14

3.2路径规划算法 14

3.3无人船路径规划的实现 15

3.4 无人船避碰算法设计 17

3.4.1无人船避碰算法设计 18

3.4.2无人船自动导航算法 20

第4章 实验结果分析 22

4.1 无人船航行测试 22

4.2岸基服务器路径规划测试 23

第5章 总结与展望 25

参考文献 26

附录 27

致 谢 31

第1章 绪论

1.1无人船国内外研究的现状

随着社会的发展，无人船作为一种新型的产业出现在人们的视野之中，在海洋医药领域、海面上的生态监控、海上救援、海上巡逻等领域发挥了及其重要的作用。但是无人船的自动控制研究却还不是很成熟，存在着自动校准时间较长，控制不精确等缺点。常见的自动控制是基于PID的控制算法，这种算法虽然能够保证航向最后偏转到指定航线，但是需要较长的调整时间，同时，传统的PID算法仅能适应一种情况，对于不同的情况，调节参数很不方便，无法做到自适应。基于此，国际上美国提出来自从2002年开始美国海军投资巨资进行命名为“斯巴达”高速无人船的研究，研制出的无人船能够相对较为平稳的水域，并且以较快的速度航行^[1]。随后以色列埃尔比特系统公司推出的“银色马林鱼”能够在各种复杂的水域行驶两天两夜，同时支持高精度的战争定位。

对于无人船领域的研究，中国的无人船相比于美国、以色列等主导国家起步较晚，不过发展速度却是相对较高的国内从事研发生产无人船的公司不是很多，武汉楚航测控科技有限公司从2011年从事无人船的研发工作，其研发的北斗无人船集成GNSS、水深测量、陀螺仪、CCD相机等多种高精度传感器设施。^[2]航行方式和国际的差不多，都采用人工遥控和自主导航两种航行模式。只要操作员通过上位机给无人船发送相关指令，无人船就能根据中国北斗卫星的定位信息规划自己的航行路线，然后自己可以自动航行，同时将采集到的水文信息和环境参数传输到岸基监控子系统中心，以便进行后续的数据分析。无人船供电方式采用蓄电池，当电量不足的时候，无人船可以智能化的计算往返时间与往返距离，在电量耗尽前返回岸边。遥控测量无人船子系统和岸基控制子系统共同构成了无人船的整体平台架构。遥控测量无人船系统主要由动力模块、电源模块、船上控制模块、测深仪器、陀螺仪、导航定位模块、视频采集模块以及远程无线通信模块；而岸基控制系统要完成的主要功能则是实时接收数据，并且能够对数据进行分析和处理，同时，这些数据也要通过设计的界面显示出来，进一步实习那船只的自动回航，最后处理采集的数据并绘制图片。

1.2现有水质监测方法分析

随着工业化的不断发展以及社会的进步，大多数水域都出现不同程度的污染问题，国家统计局数据显示2004年至2017全国废水排放量由482.40亿吨增至735.3亿吨，增幅为52.43%。城镇污水随城镇化发展呈逐年上升趋势，2017年我国城镇生活污水排放量为535亿吨，占全年污水排放总量的72.7%^[3]。以城市公园水域为例，全国有93%的城市公园水体受到不同水平的污染^[4]，水体发臭及富营养化现象非常严重。不少企业工厂存在着超排偷排现象，监测手段存在着漏洞，质监测系统的数量和覆盖率严重不足已成为现有水质检测系统存在一个很大的弊端。通过调查发现，目前在生态环境的流域采样和监测方面，水质检测主要是由分布在水域中的各个固定监测点完成，因此，必须安装一定数量的固定监测点来覆盖整个水域范围。但是，每个固定监测点都价值不菲，需要装配各种价格昂贵的水质监测传感器^[5]。对于面积较大的水域，安装大规模的固定采样点成本过于昂贵，因此也有通过设置移动监测点来实现水质监测及取样，通常方式是工作人员乘坐较大型船舶进行人工监测和采集取样。

根据调查总结，传统水域污染监测方式存在着以下缺点：

（1）人工采样流程费时耗力，以武汉市为例，根据目前环保部门的人力物力只能做到一个月一次对部分水域进行水质监测采样。对于一些环境恶劣的区域，采样时存在人身安全问题。

（2）固定监测点成本高，对环境要求高，无法大规模覆盖水域，不能高效的监测大范围水域。

（3）使用大型船舶移动监测，行动资金花费多，耗费大量人力物力，在浅滩、地下水面等特殊区域无法进行采样操作。

第2章 水质无人检测方案设计

总体方案设计

针对传统水污染监控方式成本高、灵活度低、受环境制约明显等缺点，设计了基于嵌入式全自动智能无人预警船，将无人船用于水质监测及采样，避免了布网式定点安装传感器，可控制的无人船灵活性高，该无人船有手动控制模式和自动巡航两种模式，手动控制模式下，由人工远程遥控操纵无人船到达预定地点进行水质监测及采样。自动巡航模式下，在既定的水域范围内，根据预设的采样点由离散分析算法规划出最优路径，无人船自主巡航并进行采样操作，能极大的提高水质监测和采样的工作效率，最大限度的减少动力损耗。与传统方式相比较，本作品的优点有：

（1）将无人船与水质检测相结合，推动污染检测的智能化与机械化发展。

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