一种水质监测无人船系统的设计与实现
发布时间：2020-12-06 04:19
水污染问题严重影响着人们的生产生活安全。对湖泊、河道水域进行全面、准确、实时的监测,对于水环境治理和水质安全保障具有重要意义。现有的水质监测站、浮标等水质监测方式存在位置固定、人工成本较高、部分水域无法进入监测等情况,造成目前监测体系存在响应不及时、时间与空间分辨率较低等问题。本文研究并实现了一种水质监测无人船系统,可实现湖泊、河道狭窄水域的日常监测、跟踪巡检。本文主要内容包括:对水质监测无人船硬件部分搭建,设计了主控制板包括系统电源模块、航行控制模块、采集取样模块和无线通信模块,对整体电路进行了调试。在树莓派平台上使用OpenCV对采集到的水面图像进行障碍物轮廓识别工作,通过改进Canny算子,采用对轮廓几何特征提取,获得准确的障碍物轮廓,帮助无人船遇到障碍物可以及时避障,安全通行。在无人船主控制板上编写下位机程序,使得无人船可以完成自主航行、水样的在线采集和水体取样功能。结合障碍物轮廓识别算法和测距传感器,无人船可以做到自主避障。通过电脑端操作软件,可以远程控制无人船航行和采集,实时显示水面画面和水质数据,并对采集的水质数据进行数据处理和保存。实验证明,本文设计的无人船系统可以在湖...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３水质监测移动船??
■惠??ＭＷｌｌｉ＾＾＾ｆｅ＾?＇ｉｉ?…，ｈ?…＾ＢＢＢ??图１．１自动观测观测站?图１．２浮标水质观测点??水质监测移动船，如图１．３所示，主要应用于大江大湖开阔水域。水质监测移动船??可携带多种水质测量设备，基本能够满足常规的监测和应急测量要求，大大提高了对于??湖泊、河流的水质劣化情况预警监控的能力［１３］。这种做法虽可以有效监测湖泊的水质，??但需要巨大的人力、物力和财力，船只需要配备数名工作人员才能得以进行水质监测工??作。同时，大型水质监测移动船不适用于水面较为狭窄的城市河道［１４］。??图１．３水质监测移动船??根据国内实际监测系统反馈来看，水质监测系统的数量和覆盖率严重不足。面对现??在湖泊、河道水质监测系统存在的问题，需要进一步对更大范围的水域进行监测，对水??域进行实时、准确、动态的监测
１．２国内外研宄现状??国外无人船的研究起步较早，进行了多项的研究。首先是在军事上无人船投入使用，??如图１．４所示，美国２０００年在无人船上安装能执行军事任务的装备，在近海海域进行军??事训练。２００２年美国海军Ｕｎｄｅｒｓｅａ?Ｗａｒｆａｒｅ?Ｃｅｎｔｅｒ开发了“Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ”无人船可以保??护海滩登陆部队［１５］。如图１．５所示２００３年以色列研发了“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”号无人船用作海岸巡??航＂６］。??ｊ分?ｍｍ，“?＂ｖ?＾嚴＞??——二——二?＼??遍??塵鄭＿＿＿?：??图１．４美国海军“Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ”无人船?图１．５以色列“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”无人船??无人船在军事领域发展相对成熟之后，在民用监测方面研究所开展了深入的研宂。??如图１．６所示，２００３年，意大利研究所为该国的科研项目南极研宄计划，设计了采集海??平面水体信息的无人船“ＳＥＳＡＭ０”，该无人船在２００４年１月投入科考项目中［１７，?１８］。如??图１．７所示，２００４年英国普利茅斯大学海洋和工业动态分析（ＭＩＤＡＳ）研究小组，开发??了一艘４米长的“Ｓｐｒｉｎｇｅｉ？”号无人船搭载传感器用作河道、水库以及沿海区域污染物的??追踪，采用ＳＬＡＭ技术使得“Ｓｐｒｉｎｇｅｒ”更好的做到自主追踪［１９］。??图１．６意大利“ＳＥＳＡＭＯ”无人船?图１．７英国“Ｓｐｒｉｎｇｅｒ”无人船??如图１．８所示，２０１１年曰本北海道大学开发了采用气动装置的无人船“ＵＢＰ”，不使??用传统的螺旋桨动力装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无线传感器网络的污水监测系统设计[J]. 宗峰. 中国沼气. 2017(06)
[2]2016中国环境状况公报发布[J]. 本刊编辑部. 中国能源. 2017(08)
[3]基于物联网的水体环境监测无人船的设计[J]. 吴珊珊,刘清闯,王书旺,顾斌. 数字技术与应用. 2017(05)
[4]基于物联网的城市河道酸碱度远程检测系统的设计[J]. 许克杰,何金龙. 计算机测量与控制. 2017(04)
[5]“河长制”让长江岸绿水清[J]. 滕玲. 地球. 2017(03)
[6]“河长制”守护江河、湖泊长清[J]. 冯为为. 节能与环保. 2017(01)
[7]膨胀与腐蚀算法的改进及并行实现[J]. 杜慧敏,蒋忭忭,常立博,郭冲宇,季凯柏. 西安邮电大学学报. 2017(01)
[8]对河长制管理制度问题的思考[J]. 姜斌. 中国水利. 2016(21)
[9]基于OpenCV的运动检测和跟踪嵌入式系统设计[J]. 韩宇,张磊,吴泽民,胡磊. 工业控制计算机. 2016(10)
[10]省政府办公厅关于加强全省水功能区管理工作的意见[J]. 江苏省人民政府公报. 2016(20)
硕士论文
[1]基于树莓派的智能云灌溉系统研究[D]. 何江.兰州理工大学 2017
[2]基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计[D]. 李瑞.河北大学 2016
[3]水面无人艇运动控制系统设计与实现[D]. 田勇.大连海事大学 2016
[4]双体双推进无人船路径跟踪控制研究[D]. 邵峰.青岛大学 2015
[5]基于立体视觉的运动目标轨迹测量的研究[D]. 杜浩东.北京交通大学 2015
[6]基于航空影像的平坦区田埂界线识别与提取研究[D]. 张明杰.中国矿业大学 2015
[7]地表水自动监测运行管理及预警效能提升研究[D]. 丁宏.南京农业大学 2014
[8]基于图像处理的微流控芯片检测方法与技术研究[D]. 肖雅静.河北工业大学 2011
[9]半自动生化分析仪的研究与设计[D]. 胡凯.南京信息工程大学 2006
本文编号：2900711
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．３水质监测移动船??
■惠??ＭＷｌｌｉ＾＾＾ｆｅ＾?＇ｉｉ?…，ｈ?…＾ＢＢＢ??图１．１自动观测观测站?图１．２浮标水质观测点??水质监测移动船，如图１．３所示，主要应用于大江大湖开阔水域。水质监测移动船??可携带多种水质测量设备，基本能够满足常规的监测和应急测量要求，大大提高了对于??湖泊、河流的水质劣化情况预警监控的能力［１３］。这种做法虽可以有效监测湖泊的水质，??但需要巨大的人力、物力和财力，船只需要配备数名工作人员才能得以进行水质监测工??作。同时，大型水质监测移动船不适用于水面较为狭窄的城市河道［１４］。??图１．３水质监测移动船??根据国内实际监测系统反馈来看，水质监测系统的数量和覆盖率严重不足。面对现??在湖泊、河道水质监测系统存在的问题，需要进一步对更大范围的水域进行监测，对水??域进行实时、准确、动态的监测
１．２国内外研宄现状??国外无人船的研究起步较早，进行了多项的研究。首先是在军事上无人船投入使用，??如图１．４所示，美国２０００年在无人船上安装能执行军事任务的装备，在近海海域进行军??事训练。２００２年美国海军Ｕｎｄｅｒｓｅａ?Ｗａｒｆａｒｅ?Ｃｅｎｔｅｒ开发了“Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ”无人船可以保??护海滩登陆部队［１５］。如图１．５所示２００３年以色列研发了“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”号无人船用作海岸巡??航＂６］。??ｊ分?ｍｍ，“?＂ｖ?＾嚴＞??——二——二?＼??遍??塵鄭＿＿＿?：??图１．４美国海军“Ｓｐａｒｔａｎ?Ｓｃｏｕｔ”无人船?图１．５以色列“Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ”无人船??无人船在军事领域发展相对成熟之后，在民用监测方面研究所开展了深入的研宂。??如图１．６所示，２００３年，意大利研究所为该国的科研项目南极研宄计划，设计了采集海??平面水体信息的无人船“ＳＥＳＡＭ０”，该无人船在２００４年１月投入科考项目中［１７，?１８］。如??图１．７所示，２００４年英国普利茅斯大学海洋和工业动态分析（ＭＩＤＡＳ）研究小组，开发??了一艘４米长的“Ｓｐｒｉｎｇｅｉ？”号无人船搭载传感器用作河道、水库以及沿海区域污染物的??追踪，采用ＳＬＡＭ技术使得“Ｓｐｒｉｎｇｅｒ”更好的做到自主追踪［１９］。??图１．６意大利“ＳＥＳＡＭＯ”无人船?图１．７英国“Ｓｐｒｉｎｇｅｒ”无人船??如图１．８所示，２０１１年曰本北海道大学开发了采用气动装置的无人船“ＵＢＰ”，不使??用传统的螺旋桨动力装置
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无线传感器网络的污水监测系统设计[J]. 宗峰. 中国沼气. 2017(06)
[2]2016中国环境状况公报发布[J]. 本刊编辑部. 中国能源. 2017(08)
[3]基于物联网的水体环境监测无人船的设计[J]. 吴珊珊,刘清闯,王书旺,顾斌. 数字技术与应用. 2017(05)
[4]基于物联网的城市河道酸碱度远程检测系统的设计[J]. 许克杰,何金龙. 计算机测量与控制. 2017(04)
[5]“河长制”让长江岸绿水清[J]. 滕玲. 地球. 2017(03)
[6]“河长制”守护江河、湖泊长清[J]. 冯为为. 节能与环保. 2017(01)
[7]膨胀与腐蚀算法的改进及并行实现[J]. 杜慧敏,蒋忭忭,常立博,郭冲宇,季凯柏. 西安邮电大学学报. 2017(01)
[8]对河长制管理制度问题的思考[J]. 姜斌. 中国水利. 2016(21)
[9]基于OpenCV的运动检测和跟踪嵌入式系统设计[J]. 韩宇,张磊,吴泽民,胡磊. 工业控制计算机. 2016(10)
[10]省政府办公厅关于加强全省水功能区管理工作的意见[J]. 江苏省人民政府公报. 2016(20)
硕士论文
[1]基于树莓派的智能云灌溉系统研究[D]. 何江.兰州理工大学 2017
[2]基于DSP和GPRS的无人船运动控制系统设计[D]. 李瑞.河北大学 2016
[3]水面无人艇运动控制系统设计与实现[D]. 田勇.大连海事大学 2016
[4]双体双推进无人船路径跟踪控制研究[D]. 邵峰.青岛大学 2015
[5]基于立体视觉的运动目标轨迹测量的研究[D]. 杜浩东.北京交通大学 2015
[6]基于航空影像的平坦区田埂界线识别与提取研究[D]. 张明杰.中国矿业大学 2015
[7]地表水自动监测运行管理及预警效能提升研究[D]. 丁宏.南京农业大学 2014
[8]基于图像处理的微流控芯片检测方法与技术研究[D]. 肖雅静.河北工业大学 2011
[9]半自动生化分析仪的研究与设计[D]. 胡凯.南京信息工程大学 2006
本文编号：2900711
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