水质移动监测平台路径规划的研究

摘要

水质移动监测平台的路径规划是实现大范围水质巡检和突发水质污染事件应急监测的关键技术之一。本文针对河道湖面具有不规则边界且可能存在障碍物的特点，研究了一种结合全局路径规划和局部动态避障的混合路径规划方法。首先根据已知的河道湖面信息，利用改进遗传算法规划出一条全局路径;沿着该全局路径，采用结合障碍物运动状态预测模型和速度障碍避障模型的局部避障方法，实现了对未知障碍物的有效避障。另外，本文还对现有的水质移动监测系统做了改进以满足避障功能的要求。本文主要研究内容和特色如下:
　　(1)针对河道湖面具有不规则边界且可能存在已知障碍物的情形，研究了一种结合改进栅格法和遗传算法的全局路径规划方法。首先利用改进栅格法对环境空间进行建模，选取障碍物特征点进行路径编码;然后对传统遗传算法中的适应度函数、遗传算子及其参数等进行改进;最后利用改进遗传算法对路径编码进行搜索，获得一条平滑较短的航行路径。仿真结果表明，该方法不仅可以加快算法的搜索速度和找到较优的全局路径，而且能有效地解决路径规划中的凹形障碍物“陷阱”问题。
　　(2)针对水质移动监测平台在沿全局路径航行时会遇到未知障碍物的问题，研究了一种将障碍物运动状态预测模型与速度障碍避障模型相结合的局部避障方法。首先根据水质移动监测平台的传感信息，建立障碍物运动状态预测模型;然后结合速度障碍避障模型和局部目标点，采用相应的避障控制策略对障碍物进行避障。仿真结果表明，该方法对静态障碍物和移动障碍物的自动规避均适用，且能在考虑到已规划全局路径信息的前提下，规划出较优的避障轨迹。
　　(3)为实现水质移动监测平台的自动避障功能，本文在现有水质移动监测系统的基础上进行了如下改进:在水质移动监测平台上增加了超声波检测模块、航向角检测模块、速度检测模块和无线WIFI模块，采用WIFI方式实现手机终端与水质移动监测平台之间的通信;设计新的监控中心上位机软件和手机终端APP，实时显示水质移动监测平台的状态信息;编写避障算法程序，并对整个系统的改进功能和避障算法进行了实测。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 水质移动监测研究现状

1．2．1 国内水质移动监测研究现状

1．2．2 国外水质移动监测研究现状

1．2．3 水质移动监测现状的研究小结

1．3 路径规划方法研究现状

1．3．1 环境楚模

1．3．2 路径搜索算法

1．3．3 路径规划方法的研究小结

1．4 本文的主要任务及组织结构

第2章 水质移动监测平台的全局路径规划方法

2．1 全局路径规划问题

2．2 河道湖面的环境建模

2．2．1 环境空间的栅格化

2．2．2 基于障碍物特征点的路径编码方法

2．3 改进遗传算法

2．3．1 个体编码

2．3．2 初始种群

2．3．3 适应度函数

2．3．4 遗传算子

2．3．5 交叉、变异概率的确定

2．3．6 结束条件

2．4 结合障碍物特征点和改进遗传算法的路径规划

2．5 仿真实验

2．5．1 常规障碍物环境下的仿真实验

2．5．2 凹形障碍物环境下的仿真实验

2．6 本章小结

第3章 水质移动监测平台的局部避障方法

3．1 水质移动监测平台运动过程中的避障问题

3．2 基于摄像头和超声波的障碍物相关参数检测

3．2．1 障碍物提取

3．2．2 障碍物位置信息检测

3．2．3 障碍物运动状态计算

3．3 障碍物运动状态预测模型

3．4 避障控制算法的研究

3．4．1 速度障碍避障模型

3．4．2 结合障碍物运动状态预测模型和速度障碍避障模型的控制策略

3．5 仿真实验

3．5．1 静态障碍物环境下的避障仿真实验

3．5．2 移动障碍物环境下的避障仿真实验

3．6 本章小结

第4章 避障算法在水质移动监测平台上的应用

4．1 现有水质移动监测系统的组成

4．1．1 水质移动监测平台

4．1．2 监控中心

4．1．3 手机终端控制器

4．2 水质移动监测系统的改进

4．2．1 水质移动监测平台的硬件改进

4．2．2 水质移动监测平台的软件改进

4．2．3 监控中心的软件改进

4．2．4 手机终端控制器的软件改进

4．2．5 改进后水质移动监测系统的工作流程

4．3 避障算法的编程

4．4 本章小结

第5章 水质移动监测系统的功能测试

5．1 样机展示

5．2 新增模块的性能测试

5．2．1 无线WIFI模块测试

5．2．2 超声波检测模块测试

5．2．3 速度检测模块测试

5．2．4 航向角检测模块测试

5．3 避障算法测试

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文