一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统及方法，本物联网系统由上位机应用层、通信传输层、下位机感知层组成。应用层包含安卓手机客户端和PC端人机交互界面，界面主要包含地图、网络通信、数据显示、目标点导入、模式切换、方向控制、数据库等模块。感知层通过各种传感器模块采集数据信息，船体组成主要包括GPS模块、九轴陀螺仪模块、水质监测模块，推进电机模块。通信层为GPRS

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统及方法


[0001]本专利技术属于物联网远程通信
和智能路径规划及避障
，具体设计一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统及方法。

技术介绍

[0002]水产养殖行业在我国有着较大的市场规模，而且在近年来养殖规模在快速的扩大。但是同时养殖水体的自然承载能力已日趋饱和，养殖水域的水质越来越差。如今改善养殖水域的水质成了一个重要任务，而水质监测是水产养殖中的最重要一环，水中的溶氧量、PH值、温度一定要在适合鱼虾蟹生长的范围之内，这些参数对鱼虾蟹的生存繁殖有着决定性的作用
[0003]过去对水质监测的方法主要是两种，一种是人工监测法，作业人员需要携带检测仪器，在靠近岸边的水域采集一定量的水源，这种方法过程繁琐，人力成本高，具有一定的危险性，而且测量范围只能局限在岸边，这样得到的检测结果所反映的水质情况会比较片面，不能完全评估出真实的水质情况。另一种是定点浮漂检测法，这种方法存在的问题有：受检测点数量影响测量范围有限，增加定点浮漂成本较高，后期维护困难。
[0004]综合水产养殖水域水质检测现存的问题，需要设计一种水质检测技术可以覆盖大范围的水域面积，可自主导航的水质检测无人船可以极大地节省人力物力，水质检测无人船具有自主导航、体积小、成本低、灵活性好、覆盖范围广等优点。结合物联网技术可以实时地操控水质检测无人船，在上位机应用层也可以实时查看水质参数。
[0005]目前具有水质检测功能的无人船在实际作业中已经得到了初步的应用，但是现有的无人船都是需要操作人员手动操控来完成作业，存在一定的操作和观测误差。因此在本专利技术专利的无人船服务器后台程序嵌入谷歌地图，在地图上设置待测位点，无人船按照快速行进法规划好的路线来遍历所有待测点，最终返回初始位点，全程自主航行自动检测无需人工干预。但是在按照预定规划好的路线航行时，水面可能会出现未知障碍物，因此需要引入动态窗口算法，保证无人船能够规避不可预知障碍物，安全完成作业。
[0006]因此，本专利技术针对无人船路径规划及避障，提出一种基于混合路径规划自主导航的水质监测物联网控制系统及方法。

技术实现思路

[0007]为了解决当前无人船无法识别水面不可预知障碍物的问题，本专利技术提出一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统及方法，无人船在自主航行时可以应对复杂且不可预知的水面情况，能够避免无人船在作业过程中发生碰撞导致受损，完成待测点的巡检获得水质参数，无人船将采集的水质参数上传至服务器后台程序的数据库中。
[0008]本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0009]一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统包括感知层、通信层、应用层。
[0010]第一部分，所述感知层由双体充气无人船如图5所示、动力输出模块、避障系统模块、电源模块、主控制器模块以及各类传感器组成，包括溶解氧传感器、水温传感器、北斗定位数据接收器、声纳、激光雷达传感器、机器视觉等。
[0011]所述双体充气无人船用于装载动力输出模块、电源模块、主控制器模块、水质采集模块、导航模块；
[0012]所述动力输出模块由两部直流异步推进电机、一对电机驱动螺旋桨和无刷电调组成；
[0013]所述推进电机和电机驱动螺旋桨用于控制无人船的航行速度和方向；；
[0014]所述无刷电调通过PWM波进行调压，电机根据电压调速；
[0015]所述电源模块由锂电池组成，用于为其他模块供电；
[0016]所述主控制器模块采用基于Cortex
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M4内核的STM32单片机；所述感知层与所述应用层数据交互，用于上传数据至上位机，以及接收上位机发送的控制命令；
[0017]所述避障系统模块由超声波模块、声纳避障模块以及机器视觉模块组成，通过融合优化算法实现三个模块协同工作，充分利用不同模块的优势，实现精准可靠避障；
[0018]所述溶解氧传感器、水温传感器、北斗定位数据接收器、声纳、激光雷达传感器、机器视觉等组成数据采集模块
[0019]第二部分，所述通信层为GPRS
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DTU模块，与服务器建立TCP/IP连接，实现感知层与应用层的数据传输；
[0020]第三部分，所述应用层为安卓端app应用软件，界面如图3所示，采用C/S结构，即服务器(包含服务器后台程序)与客户端(GPRS
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DTU)建立TCP/IP连接；
[0021]所述服务器后台程序基于Visual Studio 2017集成开发平台，采用C#.NET语言编写上位机程序，利用Winform框架实现可视化界面，数据库程序在SQL Server平台上由SQL语句编写而成。上位机程序使用C#提供的Socket通信方式连接GPRS
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DTU模块，分析无人船发送的经纬度信息，解算各项传感器数据，控制无人船自主导航；
[0022]基于上述系统，本专利技术提出了一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统的控制方法，包括如下步骤：
[0023]步骤1，据任务需要在服务器后台程序中的地图中设置作业点并在上位机可视化界面显示该点的经纬度坐标，设置无人船航行模式为自动导航模式；
[0024]步骤2，启动电源后将水质检测无人船平稳放入待测水域，GPS接收当前位置信息通过无线数传模块将数据信息发送到服务器并解析无人船经纬度信息，基于已知的环境信息调用FMM算法规划出一条包含所有作业点的最优路径，融入航线安全性、路径长度与航向角势场作为寻优条件；
[0025]步骤3，无人船调整双电机转速实现差速转向，驶向作业点；
[0026]步骤4，无人船搭载的超声波模块、声纳避障模块以及机器视觉组合模块扫描周围是否存在障碍物信息；
[0027]步骤5，如果激光雷达探测的范围内无人船与作业点之间没有出现障碍物，无人船保持航向继续探测下一个范围内可能出现的障碍物，直至到达作业点进行断面水质检测；
[0028]步骤6，如果激光雷达在无人船与目标点的航线上探测到障碍物，结合已知的水面信息，构建无人船局部避障模型；所述模型为，无人船在很小的时间间隔内运动距离短，可以将两相邻点的运动轨迹看作是直线，无人船位置在坐标系中移动了u
t
*Δt。将该短距离分别投影在平面直角坐标系中x轴和y轴上就能得到t+1时刻相对于t时刻无人船在直角坐标中移动的位移Δx和Δy；
[0029]步骤7，无人船实时获取航线上动态障碍物运动信息，判断是否存在碰撞风险；若存在，判断会遇类型，无人船开始执行防碰撞准备；否则执行步骤9；
[0030]步骤8，开始防碰撞，确定目标点位置，进行参数初始化；无人船必须在遇到紧急情况时能够在有效距离内稳定，根据无人船当前状态计算安全速度A
α
；对速度空间进行离散化采样，结合无人船运动模型生成预测轨迹；根据目标障碍物速度预测其位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，包括：感知层、通信层、应用层；所述感知层与所述应用层通过通信层进行数据交互；所述感知层包括双体充气无人船、动力输出模块、避障系统模块、电源模块、主控制器模块以及信息感知模块，所述双体充气无人船用于装载动力输出模块、避障系统模块、电源模块、主控制器模块以及传感器；所述通信层为GPRS
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DTU模块，与服务器建立TCP/IP连接，实现感知层与应用层的数据传输，用于上传数据至应用层的服务器，以及接收服务器发送的控制命令；所述应用层采用C/S结构，即服务器(包含服务器后台程序)与客户端建立TCP/IP连接。2.根据权利要求1所述的一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，所述动力输出模块包括两部直流异步推进电机、一对电机驱动螺旋桨和无刷电调；所述推进电机和电机驱动螺旋桨用于控制无人船的航行速度和方向；所述无刷电调通过PWM波进行调压，电机根据电压调速。3.根据权利要求1所述的一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，所述信息感知模块包括包括溶解氧传感器、水温传感器、北斗定位数据接收器、声纳、激光雷达传感器、机器视觉等。4.根据权利要求1所述的一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，所述避障系统模块为超声波模块、声纳避障模块以及机器视觉组合模块，充分利用不同模块的优势，实现精准可靠避障。5.根据权利要求1所述的一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，还包括人机交互模块，所述人机交互模块的界面分为无人船运动操控区、实时数据显示区、启停按键区；所述运动操控区为前进、后退、左转、右转和启停按钮，可实现人工操控无人船的运动；所述数据显示区所述数据实时显示区显示无人船测得的溶解氧、温度、大气压、饱和度等数据；所述启停按键区为手动实现手机app与无人船无线通信进行远程监视和操控。6.根据权利要求1所述的一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制系统，其特征在于，所述应用层包含安卓手机客户端和PC端人机交互界面，所述安卓手机客户端程序基于Android Studio 2.3.3+JDK 1.8+Android 7.0平台开发，使用Android Studio作为开发工具，主要用来显示检测水域的溶解氧值、温度、大气压值、饱和度，也可手动控制无人船的运动，控制无人船前进、后退、左转、右转等运动状态；所述PC端人机交互界面程序在Visual Studio2017集成开发环境下由C#语言编写而成，数据库系统则在SQL Sever2008环境下SQL(Structured Query Language)语言开发而成，界面主要包含地图、网络通信、数据显示、目标点导入、模式切换、方向控制、数据库等功能模块；其中，上位机程序与无人船连接需要调用C#中的Socket方法，连接成功后，无人船上各传感器装置通过GPRS
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DTU模块发送到上位机程序。7.一种基于混合路径规划自主导航的无人船水质监测物联网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，在服务器后台程序中的地图中设置作业点并显示该点的经纬度坐标，设置无人船航行模式为自动导航模式；
步骤2，启动电源后将水质检测无人船平稳放入待测水域，GPS接收当前位置信息通过无线数传模块将数据信息发送到服务器并解析无人船经纬度信息，基于已知的环境信息调用基于叠加势场的快速行进法(FMM)规划出一条包含所有作业点的最优路径，融入航程长度、航线安全性与航向角势场作为寻优条件；步骤3，无人船调整双电机转速实现差速转向，驶向作业点；步骤4，无人船搭载的超声波传感器扫描周围是否存在障碍物信息；步骤5，如果超声波模块、声纳避障模块以及机器视觉组合模块探测的范围内无人船与作业点之间没有出现障碍物，无人船保持航向继续探测下一个范围内可能出现的障碍物，直至到达作业点进行断面水质检测；步骤6，如果激光雷达在无人船与目标点的航线上探测到障碍物，结...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘星桥，杨永洋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：