小型海洋环境监测平台设计与实现

摘要

近年来，随着人类对海洋资源的开采与利用，使得海洋环境遭受了极大的破坏，各种新型的环境监测设备应运而生。如水面浮标、潜标、水面调查船以及水下机器人等设备。而由于海洋环境的多样性，这些传统监测设备存在成本高、无法灵活移动、不能长时间通信等问题，无法满足各种各样的海洋环境监测需求。 本文设计并实现了一款以水面浮台为中心，联合水下机器人的海洋环境监测平台，解决现有海洋监测系统操作复杂，通讯困难，不能灵活移动，不能长时间工作的问题。本系统由前端传感器实时采集水中信息，并通过光纤传输至水面浮台，水面浮台再将这些监测信息通过无线通信技术传输至移动控制端来进行实时显示。根据监测水域的不同，水面浮台可在水下机器人的拖动下灵活移动至指定区域进行大范围监测任务。课题主要研究工作如下: (1)进行监测平台的总体方案设计。进行水面浮台设计，包含水面浮台三维结构设计、水面浮台供电设计以及水面浮台通信单元设计;进行水下机器人设计，包含水下机器人骨架设计、密封舱设计、推进器布局以及控制单元设计等。 (2)针对系统要求，对监测平台进行硬件设计。针对研究目标进行器件选型;进行水面浮台硬件电路设计，包含控制板最小系统设计、外围电路设计;进行水下机器人硬件电路设计，包含数据采集板设计以及外围电路设计等。 (3)依据系统功能要求，完成监测平台的软件设计。进行水面浮台的上位机信号采样解析设计、信号中转设计，完成上位机与水下机器人信号之间的数据交换功能;进行水下机器人的深度计采样设计、IMU传感器采样设计以及电机驱动程序设计;进行上位机软件的设计。 (4)考虑水下机器人稳定性以及安全性，对水下机器人控制算法进行研究。以PID算法为基础，引入模糊控制理论，将模糊控制理论与传统的PID算法相结合研究模糊PID算法在水下机器人控制领域的应用，设计模糊PID控制器来完成对水下机器人控制处理，并构建仿真平台对模糊PID控制算法进行验证。 (5)为了验证监测平台功能以及监测多样性，通过针对性实验进行验证。对模糊PID控制器进行了仿真实验;对所设计的海洋环境平台进行水池实验;搭载波浪检测单元进行海试实验等。 实验结果表明所设计的海洋环境监测平台操作简单、机动性强，能够实现对水域的环境监测任务并进行实时准确的测量。