CN113110439B - 一种实时可抗风浪无人船的航线控制方法及其水质监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时可抗风浪无人船的航线控制方法及其水质监测系统，采用基于Cortex‑M4内核的STM32F407单片机为无人船的主控制器，其中船体左右侧各装有一对小型水下电机用来适应风浪，后侧装有两个推进电机提供前进动力，船上搭载了GPS定位模块、电子罗盘模块、GPRS模块、溶解氧传感器，主控制器解算各项模块的数据，再将数据通过GPRS传送至基于C#.NET编写的上位机服务器后台程序，上位机对采集的数据分析可视化并将水质参数上传至数据库，同时发送命令给无人船实现自动导航，在地图上显示运动轨迹。该系统不仅扩大了水质监测范围，而且在风浪环境下也能自动矫正自身位置，可以广泛应用于农业水产养殖、海洋测绘以及污水监测等场景。
Description
技术领域
本发明涉及水域中利用无人船进行水质监测技术领域，具体涉及一种实时的可抗风浪无人船的航线控制方法及其水质监测系统设计。
背景技术
我国是水资源利用大国，随着居民生活的日益改善，居民对水质安全需求也日益提高。水质监测不仅是日常饮用水的一环，也是水产养殖、海洋维护等情况下必不可少的任务，水中的温度值、湿度、气压值、溶氧值等是水质监测任务中需要测量的数据，它们是水质评估中重要的影响因子。
过去对水质监测的方法主要是两种。一种是监测人员携带相关仪器，在岸边提取一定量水源进行现场检测分析并记录，这种方式人工成本高，测量范围只能局限在岸边，不能完全评估出水质情况；另一种测量方式是采用浮点式监测，在水域中的多个点安装浮标，监测结果可通过无线或者GPRS方式上传到数据库中，这种方式比前者测量范围稍微大些，但是后期维护成本很高，且监测点相对固定不变。
近年来，无人船在水质监测任务中扮演了越来越重要的角色，成为了一种趋势。将测量装置放在无人船上，通过手机或者PC进行远程遥控无人船，可在水域中的任意点进行水质在线监测，并且能够立即反馈测量结果。利用无人船进行水质监测，具有体积小、便携带、测量灵活范围大等优点。
但现有的无人船都是依靠岸基人员手动控制到达指定测量点，需要观测无人船动态和环境。因此在本发明的无人船服务器后台程序中嵌入地图，在地图中可以设置多个测量点，无人船按照设置的点进行遍历，最终回到原点，无需人工干预。但是在有风情况下，无人船易受到环境影响，偏离预计航线，与预定点误差较大，因此本次发明针对有风情况下，通过硬、软件的设计，使得无人船在风浪情况下也可以正常按照原来路线航行，减少误差。
因此，本发明针对无人船适应风浪环境情况，提出一种实时的可抗风浪的无人船水质监测系统。
发明内容
为了解决当前无人船在有风情况下偏离预定航线的问题，本发明提出一种实时的可抗风浪无人船的航线控制方法及其水质监测系统。通过该航线控制方法，无人船在自动导航时可以应对有风环境矫正姿态，适应风浪变化，实现对预定测量点的准确测量，减小误差，无人船将采集的水质参数上传至服务器后台及其数据库中。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种实时的可抗风浪无人船水质监测系统设计包括感知层、传输层、应用层三部分；
第一部分，所述感知层由双体充气无人船、动力系统模块、电源模块、控制模块、水质参数采集模块、导航模块、风力风向采集模块、通信模块组成。
所述双体充气无人船用于装载动力系统模块、电源模块、控制模块、水质采集模块、导航模块；
所述动力系统模块由左右两侧各一对电机驱动螺旋桨和后侧一对电机驱动螺旋桨、无刷电调组成；
所述电机驱动螺旋桨控制无人船速度以及转向；
所述无刷电调通过控制模块输出PWM达到调速效果；
所述电源模块由充电锂电池组成，用于为其他模块供电；
所述控制模块为基于Cortex-M4内核的STM32单片机；
所述导航模块由GPS定位模块和电子罗盘组成；
所诉风力风向采集模块由风向传感器和风力传感器组成；
所述水质采集模块为四合一溶解氧传感器，包含溶氧传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器；
所诉通信模块为GPRS-DTU模块；
第二部分，所述传输层为GPRS-DTU模块，即无人船通信模块，与服务器后台程序建立TCP/IP连接，实现感知层与应用层的数据传输；
第三部分，所述应用层采用C/S结构，即服务器后台程序(包含数据库)与客户端(GPRS-DTU)建立TCP/IP连接；
所述服务器后台程序基于Visual Studio2015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-DTU模块，分析无人船传送的经纬度信息，解算各项传感器数据，控制无人船自动导航。结合风力风向传感器，启动左右两侧螺旋桨适应风浪环境。
所述服务器后台程序负责解析无人船上传的数据，通过程序解析计算，将原始数据分割出来显示界面上的TextBox控件中；上位机主界面嵌入由HTML、CSS以及JavaScript语言编写百度地图，在地图上设置若干个目标点，使无人船遍历目标点自动行驶并最终返回原点；
基于上述系统，本发明提出了一种实时的可抗风浪无人船的航线控制方法，包括如下步骤：
步骤1，在服务器后台程序中的地图中手动设置目标点并显示目标点的经纬度坐标，设置无人船状态为自动导航状态，将风力风向传感器连接到服务器后台PC端，服务器后台程序读入当前风速风力环境参数，风速为θ；
步骤2，将无人船放置水域中，无人船开始矫正电子罗盘和电调高低油门信号并且启动GPS接收机接收位置信号，将数据发送至服务器后台；
步骤3，服务器后台程序解析无人船经纬度信息，转换成统一坐标，计算当前点位置与目标点位置的二面角，由该角度推算出得到当前点到目标点的方向角β，记录当前无人船的方位角Heading和当前地区的磁偏角d；
步骤4，无人船调整转向角，将船头指向下一目标点，实现自动导航，转向角为γ；
步骤5，无人船调整好转向角后，启动后侧螺旋桨行驶，速度为v；
步骤6，在无风情况下，无人船仅启动后侧螺旋桨；在有风情况下，无人船启动左右两侧螺旋桨适应风浪；
步骤7，在有风情况下，根据如下公式：
v左＝v风sin(θ-Heading-d),0≤θ-Heading-d<π
v右＝v风sin(θ-Heading-d),π≤-Heading-d≤2π
式中，v左是无人船左侧电机转速，v右是无人船右侧电机转速，v风是当前风速，π是圆周率，θ为当前风向，Heading是当前无人船方位角。
无人船在如上公式下通过调整左右电机速度来克服周围风浪，调整姿态，回到预定路线行使。
步骤8，判断无人船是否到达目标点，如果没有再次执行步骤2，如果到达目标点，则采集目标点的水质参数并将目标点的水质参数上传至服务器后台界面显示以及存储在数据库中；
步骤9，重复步骤2至8，依次完成剩余目标点的水质测量；
本发明的有益效果：
(1)克服传统检测终端固定分布，成本高、测量范围局限的缺点，移动测量水域内多个点的水质形况。
(2)无人船具有GPS定位功能，补充了测量点的位置信息，有助于对区域内不同位置的水质变化进行监控分析。
(3)无人船可以在风浪环境下正常行驶，减小误差。
(4)可通过无人船采集水质情况上传至电脑端查看。
(5)采集的数据直接上传至数据库中。
(6)服务器后台程序采用多线程技术接收数据，各线程负责每一种数据的解算，有序无误地展现在电脑端界面上。
附图说明
图1是本发明整体系统结构图；
图2是本发明无人船测量装置示意图；
图3是本发明程序流程图；
图4是本发明无人船行驶时受力示意图；
图5是本发明服务器后台程序主界面图；
图6是本发明水质参数监测二级子窗口界面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种实时的可抗风浪无人船水质监测系统主要由感知层、传输层、应用层三部分组成；
第一部分，所述感知层由双体充气船、动力系统模块、电源模块、控制模块、导航模块、水质参数采集模块、风力风向采集模块、通信模块，实现无人船按照地图标点自动导航并能完成对目标点水质检测的功能，在有风环境下可适应风浪，按照原轨迹路线航行。
如图2所示，所述无人船由动力系统模块、电源模块、通信模块、控制模块、信息采集模块组成。
所述动力系统模块由左右两侧电机驱动螺旋桨、后侧电机驱动螺旋桨、无刷电调组成；
所述电机驱动螺旋桨可以进行前进、后退、停止和转向动作；
所述无刷电调根据控制模块的PWM信号控制电机转速；
所述电源模块由充电锂电池组成，用于为其他各模块供电；
所述控制模块为基于Cortex-M4内核的STM32单片机，连接无人船上各模块；
所述导航模块由GPS定位模块和电子罗盘组成；
所述GPS定位模块为采集无人船当前所在经纬度；
所述电子罗盘为采集无人船方位角；
所述水质参数采集模块为四合一水质传感器，分别测量温度、湿度、溶氧值和气压值；
所述风力风向采集模块用于测量水域中周围环境的风力风向参数，需要与PC端连接；
所述通信模块为GPRS-DTU模块，用于连接服务器后台程序，接收无人船测量信息和发送指令控制无人船；
第二部分，所述传输层为GPRS-DTU模块，即是无人船通信模块，通过R232与控制器模块相连，与服务器建立TCP-IP连接，连接感知层和应用层；
第三部分，所述应用层采用C/S结构，即服务器后台程序(包含数据库)与客户端(GPRS-DTU)建立TCP/IP连接；
所述服务器后台程序是在Visual Studio2015集成开发环境下由C#.NET语言编写而成的上位机程序，该程序采用Winform框架完成可视化界面，主要用来显示无人船状态信息，例如当前位置的经纬度、方位角、连接状态、目标点水质参数等信息，也可手动发送指令，控制无人船行驶。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，无人船上各测量装置通过GPRS-DTU模块发送到上位机程序。控制模块解算各传感器的采集数据，将数据转成字符串形式发送出去，上位机程序通过String.Split()方法分割出每项数据，并建立多线程，分别处理每项数据，提高运行效率。上位机程序计算当前点与目标点的方向角，根据当前方位角，调整转向角，向目标点移动，完成自动导航。PC端连接风力风向传感器，同时在有风环境下启动左右两侧螺旋桨，克服周围环境的风浪，减小航行误差。
如图3所示，一种实时的可抗风浪无人船水质监测系统设计的程序流程图如下：
步骤1，在服务器后台程序中设置IP地址和端口号，连接GPRS-DTU模块，在岸基将风力风向传感器通过USB连接到电脑；
步骤2，连接成功后，选择自动导航模式或者手动控制模式，若是选择自动导航模式，则依次往下执行；若是选择手动控制模式，则执行步骤7；
步骤3，在服务器后台程序中加载由HTML、CSS以及JavaScrpt编写的地图，在地图上设置目标点，即为测量点；
步骤4，设置结束后，开启自动导航模式，并且建立多线程处理数据；
步骤5，主线程通过String.Split()方法分割出当前经纬度数据、方位角数据和风力风速数据；线程1提取出当前无人船经纬度数据，计算与下一目标点的方向角，方向角计算如公式(1)(2)所示；线程2提取出方位角数据，需要结合当地的磁偏角计算，如公式(3)(4)所示；线程3提取风力风向数据，实时判断有风或无风情况，结合图4进行矢量图建模分析，计算如公式(5)(6)(7)所示；
cosα＝sin(lat2)×sin(lat1)+cos(lat2)×cos(lat1)×cos(long2-long1) (1)
式(1)(2)中，α为当前点与目标点相对于球体构成的二面角，lat1、long1为无人船当前点经纬度坐标，lat2、long2为无人船目标点经纬度坐标；β即为方向角，其正方向为地理北极顺时针旋转的方向。
Heading＝buffer1×100+(buffer2＞＞4)×10+(buffer3&0x0F) (3)
Heading′＝Heading+d (4)
式(3)(4)中，buffer1，buffer2，buffer3为三字节BCD码，Heading为解算结果，其正方向为地磁北极顺时针旋转方向；d为磁偏角，Heading′将解算结果加上磁偏角修正其正方向，即为地理北极顺时针旋转方向。
θ′＝θ-Heading′ (5)
v左＝v风sinθ′，0≤θ′＜π (6)
v右＝v风sinθ′，π≤θ′≤2π (7)
式(5)(6)(7)中，θ是风向数据，其正方向是以地磁北极顺时针旋转的方向；θ′为矫正之后的风向角度，与船头方向有关；v风是风力数据。
步骤6，通过线程1和线程2求得的方向角和方位角，计算转向角，如公式(8)所示；
SteeringAngle＝|β-Heading′| (8)
式(8)中，SteeringAngle为转向角，其方向转向下一目标点。
步骤7，服务器后台程序控制无人船运动，控制模块通过PWM信号传输给无刷电调，间接控制电机速度，速度与PWM之间关系如公式(9)所示：
ω＝100000p-15000,0.1<p<0.2 (9)
ω是电机驱动时速，p为在20ms周期下占空比值。
后台程序发送字节命令控制其运动状态，“0x03”为右转命令，“0x04”为左转命令，“0x05”为右转命令。当无人船转向和无风时，仅启动后侧一对螺旋桨；当有风时，启动左右两侧螺旋桨，克服四周风浪影响；
步骤8，判断无人船是否到达目标点；
步骤9，如果没有到达目标点，执行步骤4；
步骤10，如果到达目标点，则采集目标点的水质参数并将目标点的水质参数上传至服务器后台程序中显示，并且存储在数据库中；
步骤11，重复步骤4至10，依次测量剩余目标点；
如图5所示，为本发明的服务器后台程序的上位机可视化界面，界面分为地图区、数据显示区、模式选择区、方向控制区、数据库窗口区；
所述数据显示区显示经后台程序处理后的经纬度，方向角、速度、水质参数；
所述地图区为设置目标点并显示无人船运动轨迹；
所述模式选择区为无线数传模式、GPRS模式；
所述方向控制区为前进、后退、左转、右转、停止按键，在人工操作下控制无人船的运动方向；
所述数据库窗口区为显示二级子窗口，该窗口显示历史水质参数信息以及相应测量点经纬度值；
如图6所示，为数据库窗口区的二级子窗口，在该窗口下可查看历史数据。数据库是由SqlConnection对象创建，调用C#接口函数对数据库进行增删改查，记录无人船测量的各点坐标和对应点的水质情况。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种实时可抗风浪无人船的航线控制方法，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手动设置目标点并显示目标点的经纬度坐标，设置无人船状态为自动导航状态，将风力风向传感器连接到服务器后台PC端，服务器后台程序读入当前环境参数；
步骤2，将无人船放置水域中，无人船矫正电子罗盘和电调高低油门信号并且启动GPS接收机接收位置信号，将数据发送至服务器后台；
步骤3，服务器后台程序解析无人船经纬度信息，转换成统一坐标，计算当前点位置与目标点位置的二面角；
步骤4，无人船调整转向角，转向下一目标点，实现自动导航；
步骤5，无风情况下，无人船行驶仅需后侧一对电机驱动；在有风情况下，无人船还需启动左右两侧螺旋桨；具体实现如下：
主线程通过String.Split()方法分割出当前经纬度数据、方位角数据和风力风速数据；线程1提取出当前无人船经纬度数据，计算与下一目标点的方向角，方向角计算如公式(1)(2)所示；线程2提取出方位角数据，需要结合当地的磁偏角计算，如公式(3)(4)所示；线程3提取风力风向数据，实时判断有风或无风情况，进行矢量图建模分析，计算如公式(5)(6)(7)所示；
cosα＝sin(lat2)×sin(lat1)+cos(lat2)×cos(lat1)×cos(long2-long1) (1)
式(1)(2)中，α为当前点与目标点相对于球体构成的二面角，lat1、long1为无人船当前点经纬度坐标，lat2、long2为无人船目标点经纬度坐标；β即为方向角，其正方向为地理北极顺时针旋转的方向；
Heading＝buffer1×100+(buffer2>>4)×10+(buffer3&0x0F) (3)
Heading＇＝Heading+d (4)
式(3)(4)中，buffer1，buffer2，buffer3为三字节BCD码，Heading为解算结果，其正方向为地磁北极顺时针旋转方向；d为磁偏角，Heading＇将解算结果加上磁偏角修正其正方向，即为地理北极顺时针旋转方向；
θ＇＝θ-Heading＇ (5)
v左＝v风sinθ＇,0≤θ＇<π (6)
v右＝v风sinθ＇,π≤θ＇≤2π (7)
式(5)(6)(7)中，θ是风向数据，其正方向是以地磁北极顺时针旋转的方向；θ＇为矫正之后的风向角度，与船头方向有关；v风是风力数据；
通过线程1和线程2求得的方向角和方位角，计算转向角，如公式(8)所示；
γ＝|β-Heading＇| (8)
式(8)中，γ为转向角，其方向转向下一目标点；
服务器后台程序控制无人船运动，控制模块通过PWM信号传输给无刷电调，间接控制电机速度，速度与PWM之间关系如公式(9)所示：
ω＝100000p-15000,0.1<p<0.2 (9)
ω是电机驱动时速，p为在20ms周期下占空比值；
后台程序发送字节命令控制其运动状态，“0x03”为右转命令，“0x04”为左转命令，“0x05”为右转命令，当无人船转向和无风时，仅启动后侧一对螺旋桨；当有风时，启动左右两侧螺旋桨，克服四周风浪影响；
步骤6，判断无人船是否到达目标点，如果没有再次执行步骤2，如果到达目标点，则采集目标点的水质参数并将目标点的水质参数上传至服务器后台进行显示以及存放数据库中；
步骤7，重复执行步骤2至步骤6，依次遍历其余目标点。
2.根据权利要求1所述的一种实时可抗风浪无人船的航线控制方法，其特征在于，所述步骤4中的转向角度的计算公式为：
γ＝|β-(Heading+d)|
式中，β为方向角，γ为转向角，Heading为电子罗盘测得的方位角，其正方向为磁北极顺时针旋转的方向，d是磁偏角，其为地理北极与磁北极之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种实时可抗风浪无人船的航线控制方法，其特征在于，所述步骤5中，后侧电机的转速与占空比有关，其计算公式为：
ω＝100000p-15000,0.1<p<0.2
式中，ω是电机驱动时速，p为在20ms周期下占空比值；
所述左右两侧螺旋桨的电机速度计算公式为：
v左＝v风sin(θ-Heading-d),0≤θ-Heading-d<π
v右＝v风sin(θ-Heading-d),π≤θ-Heading-d≤2π
式中，v风是风力数据，v左为左侧电机驱动速度，v右为右侧电机驱动速度，θ为风速传感器测得的数据，其正方向为磁北极顺时针旋转的方向角度。
4.一种利用如权利要求1-3任一项所述无人船航线控制方法的水质监测系统，其特征在于，使用物联网架构，包括：感知层、传输层、应用层三部分；
所述感知层由主控制器、动力系统以及测量装置组成，所述主控制器用来控制船体运动，所述动力系统用来保障船速和方向，所述测量装置用来采集导航信息、水质参数、风力风向参数；
所述传输层为GPRS-DTU模块，负责连接感知层和应用层，将感知层的各项测量参数上传至服务器以及SQL Server数据库中；
所述应用层为服务器后台程序，采用C#.NET编写上位机程序，一方面显示无人船采集的水质参数、计算无人船导航方向和控制无人船按照地图轨迹行驶，另一方面根据风力风向参数调整无人船运行姿态，达到抗风浪效果。
5.根据权利要求4所述的水质监测系统，其特征在于，所述测量装置包括控制模块、水质采集模块、风力风向采集模块、导航模块、动力系统模块、电源模块、通信模块；
所述控制模块为基于Cortex-M4内核的微控制器，所述水质采集模块通过RS485协议与所述控制模块相连，所述导航模块通过串口协议和RS232协议与所述控制模块相连，所述通信模块通过RS485协议与所述控制模块相连，所述动力系统模块为电调驱动器于电机驱动螺旋桨相连，所述电源模块为锂电池与微控制器以及各项传感器相连，所述风力风向采集模块通过USB与PC端相连；
所述导航模块包括GPS定位模块和电子罗盘模块，所诉GPS定位模块通过RS232与所述控制模块相连，所述电子罗盘模块通过串口协议与所述控制模块相连；
所述通信模块为GPRS-DTU模块并且通过RS232协议与控制模块相连，将采集的数据发送至服务器后端和数据库中；
所述水质采集模块为四合一溶解氧传感器，包括：湿度传感器、溶氧传感器、温度传感器、气压传感器，所述四合一溶解氧传感器通过RS485与所述控制模块相连。
6.根据权利要求5所述的水质监测系统，其特征在于，所述动力系统模块包括：无人船左右两侧各装配一对电机驱动螺旋桨、后侧装配一对电机驱动螺旋桨、无刷电调；所述无刷电调分别与控制模块、左电机、右电机相连。
7.根据权利要求5所述的水质监测系统，其特征在于，所述电源模块为5200mAh充电锂电池，与所述控制模块、水质采集模块、风力风向采集模块、导航模块、动力系统模块、通信模块相连，并为它们供电。
8.根据权利要求4所述的水质监测系统，其特征在于，所述服务器后台程序为基于Visual Studio2015平台编写，采用C#.NET语言中的Winform框架绘制可视化界面，其中嵌入由HTML、CSS以及JavaScript语言编写的百度地图；所述可视化界面分为地图区、数据显示区、模式选择区、方向控制区、数据库窗口区；
所述数据显示区显示经后台程序处理后的经纬度，方向角、速度、水质参数；
所述地图区为设置目标点并显示无人船运动轨迹；
所述模式选择区为无线数传模式、GPRS模式；
所述方向控制区为前进、后退、左转、右转、停止按键，在人工操作下控制无人船的运动方向；
所述数据库窗口区为显示二级子窗口，该窗口显示历史水质参数信息以及相应测量点经纬度值。
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