无人机在河流水质监测无线传感器网络中的应用研究

摘要

水质监测一直是当今社会发展中的重要课题。得益于无线传感器网络的发展，水质监测工作结合了WSN后变得更加智能便捷。在WSN水域监测系统中，对监测远距离、面积大的监测水域而言，由于无线通信距离有限，提取水质监测的数据成了棘手的难题；若通过布置有线网络来传输数据也面临着成本高与维护困难等问题。针对以上问题，提出将无人机引入WSN水质监测系统中，利用无人机的高机动性，充当移动提取节点去提取各个水质监测节点的数据，保证了利用有限范围的无线通信，实现大范围、远距离的水质数据提取，同时节约了系统成本并提高了监测的灵活性。 本文采用四旋翼无人机搭载无线通信模块，分别构建了无人机平台与WSN水质监测平台。通过对无人机进行建模分析、姿态解算，并在无人机的控制上设计了串级随动的PID控制器，以保证无人机飞行的稳定性。 在对无人机的飞行路径规划上，首先针对监测区域，对监测节点进行预处理分析，选取合适的节点作为簇头，减轻了无人机的飞行负担；利用WSN中传感器监测节点具有一定无线信号的覆盖区域，针对此特性在传统路径规划的算法基础上，引入一种角平分线方法，进一步优化了无人机提取数据的飞行路径，缩短了飞行距离，提高了无人机的续航能力、工作效率以及系统的灵活性。 最后通过实地的测试实验，验证了系统控制方案的正确性和可靠性。

目录

第一章 绪论

1 .1课题研究背景、目的及意义

1.1.1课题研究的背景

1.1.2课题研究的目的及意义

1 .2国内外研究现状

1.2.1无线传感器网络的研究现状

1.2.2 水质监测的研究现状

1.2.3无人机研究现状

1.2.4路径规划算法研究现状

1 .3本文组织结构

第二章 无人机WSN水质监测系统设计

2 .1 系统控制方案设计

2.1.1系统需求分析

2.1.2 监测节点部署方式与监测参数分析

2.1.3 整体控制方案设计

2 .2系统关键技术研究概述

2.2.1无线通信技术

2.2.2 无人机技术

2 .4 本章小结

第三章 无人机建模与控制

3 .1 四旋翼无人机的结构与工作原理

3 .2 四旋翼无人机建模与姿态解算

3.2.1 建立坐标系

3.2.2 坐标系的转换

3.2.2 姿态解算

3 .3 控制回路设计与飞行模式控制

3.3.1 PID控制回路设计

3.3.2 定高飞行控制

3 .4 本章小结

第四章 无人机路径规划算法分析与优化

4 .1 引言

4 .2 数据收集点预处理

4.2.1 预处理意义

4.2.2 处理策略

4.2.3 仿真结果

4 .3 问题模型

4.3.1 系统模型

4.3.2 问题定义

4 .4 算法优化

4.4.1 优化方案

4.4.2 优化步骤一

4.4.2 优化步骤二

4 .5 结果分析

4 .6 路径规划中避障算法的分析与研究

4 .6 .1 无人机水域避障分析

4 .6 .2避障总结

4 .7 本章小结

第五章 系统实验平台搭建与实验结果分析

5 .1 四旋翼无人机控制平台

5.1.1 控制单元

5.1.2 传感器单元

5.1.3驱动模块

5.1.4电源模块

5.2 水质监测WSN系统平台

5.2.1 无线通讯系统

5.2.2 水质监测节点的设计

5 .3实验准备

5 .4 实验结果与分析

5 .5本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士期间科研成果情况

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