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移动式河蟹养殖水质监测系统设计及路径跟踪研究
| 论文题名： | 移动式河蟹养殖水质监测系统设计及路径跟踪研究 |
| 关键词： | 河蟹养殖;无人船;水质监测;路径跟踪;固定时间控制 |
| 摘要： | 水环境的品质直接影响河蟹的健康，为了保证河蟹产量与效益，在养殖过程中必须每日对蟹塘水质进行定时检测。河蟹有着强烈的领地意识，不是均匀分布在养殖池塘全水域。由于养殖水体的流动性差，当河蟹生长的局部区域水质发生恶化时，固定的测量点难以精确及时的发现异常。因此，针对固定多点检测的范围小、灵活性差、成本高的缺点，本论文设计了基于无人船的河蟹养殖水质监测系统，实现对养殖池塘的大范围自动巡检；研究了路径跟踪算法，保证监测船能按目标路径安全航行。论文的主要研究内容如下： 一、分析了水质监测、无人作业船和路径跟踪的国内外研究现状，完成了移动式河蟹养殖水质监测系统的设计；基于总体需求，给出了总体结构与工作原理，详细阐述了各部分具体的设计方案与路径跟踪的研究思路。 二、建立了水质监测船路径跟踪误差模型。根据惯性坐标系和载体坐标系下的运动学分析，建立了水质监测船运动学模型；通过分析水质监测船的运动原理，得出水质监测船动力学方程；考虑模型差异与风浪干扰，分析了环境的干扰作用；针对路径跟踪问题，建立监测船路径跟踪误差模型。 三、设计了固定时间路径跟踪控制器。基于简化的直线跟踪误差模型，设计了固定时间控制器，给出了稳定性理论分析，该控制器不受初始状态约束，能使船快速地跟踪期望路径；在此基础上，针对环境中风浪扰动，设计扩张状态观测器在线估计进行前馈补偿，提高路径跟踪精度，并通过仿真验证所提算法的有效性。 四、完成了移动式河蟹养殖水质监测系统的软硬件设计。设计了船载控制系统的硬件电路；基于硬件设计，实现船载控制系统的参数采集、通信解析和运动控制的功能；集成数据库、服务器、客户端三个层面，设计了远程监控系统，实现对监测船的数据采集和功能控制。 实验结果表明：水质监测船自主巡航时跟踪精度显著提升，直线路段最大误差不超过0.2m，转弯路径最大误差不超过0.6m；联合PC客户端测试验证，结果显示监控系统能够稳定运行，实现对目标池塘的移动检测和对数据的有效存储。 |
| 作者： | 石子坚 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 赵德安 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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