第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

随着国家经济的高速发展，人们物质生活水平不断提高的同时，对于环境质量的要求也在不断提高。水资源是生命之源，是人类生活和生产活动中必不可少的物质。对于海洋和湖泊等水体资源的探测开发与保护，日益引起人们的关注与重视。但是，一些企业和个人在利益的驱使下，非法将污染物排入水源当中，或由于意外事件造成污染物泄漏，对水资源造成了污染与破坏，不仅影响水体的生态环境，更对人们的身体健康造成了严重的威胁。一些典型的例子如上海松江死猪事件、潮海湾漏油事件、企业非法排污事件等时有发生。水体富营养化现象严重，青岛胶州湾近海的讲苔来势迅猛，几乎每年都要浪费大量的人力、财力、物力。

因此，建立良好旳水质监测体系，设计功能完善可靠的水质监测系统，用以检测水体水质污染情况，监控非法排污和漏油事件具有重要的现实意义。并且海水富营养化是水华现象发生的物质基础和首要条件。海洋系统中的物质循环、能量流动都是处于相对稳定、动态平衡的状态。当水华现象发生时这种平衡遭到干扰和破坏。在植物性水华现象发生初期，由于植物的光合作用，水体会出现高叶绿素、高溶解氧、高化学耗氧量等现象“。实时监测这些参数就可以对水华等事件进行提前预防，防患于未然。但是，现有的水质检测系统往往过于庞大且价格昂贵，不够机动力灵活，同时需要大量的人力物力进行维护，不能适用于复杂多变的水体环境。

近年来，随着电子技术的不断发展，电子芯片的处理能力越来越强，为设备的小型化提供了可能。另外，开源操作系统，特别是近几年Android操作系统的日益发展壮大，为系统的开发提供了方便的软件与传感器接口支持。Wi-Fi技术、3G技术等网络技术的发展解决了远距离、大带宽数据传输的难题。声纳、激光雷达以及各种水质参数检测传感器的小型化使设计功能强大且机动灵活的水质探测系统得以实现。

1.2关键技术及发展现状

系统中最关键的部分是以USV为载体的水上数据采集部分，USV在水面航行完成数据采集任务，首先要具有自主避障的能力，保证自身的安全。为使系统达到小型化、智能化、模块化的要求，并能够对水面及水下的障碍物进行避障，我们采用水下声纳作为USV的避障传感器，并对USV和声纳的关键技术和当前的发展趋势进行探讨，以设计出满足需求旳水上载体。

1.2.1USV技术及发展现状

无人水面船也被称为自动水面艇，是一种可以执行多种军用和民用任务的无人操作的水面舰艇。USV工作在空气和海洋的交界面上，在这种特殊的位置USV不仅可以接受空气中的无线电信号，还可以接受海洋中的声学信号，这种中继器的关键角色，使其成为海天信息网络的关键部分气特别是全球定位技术的成熟和高带宽无线传输技术的发展，为无人水面船的发展提供了有力的支持。现如今由学术实验室、企业以及政府等研宄部门构成的科研力量使得无人水面船在科研、水深测绘、国防、一般机器人研究等众多领域取得了令人瞩目的成绩。

最近几年随着科技水平的提高，各种小型化高性能的传感器相继出现，同时各领域特别是军事领域的广泛应用和战略意义，使得有条件的国家纷纷加强对USV领域的投入，USV技术迎来了高速发展的黄金时期。美国海军的USV被广泛用于港口安全防护和水雷排除等任务，更被用于支持UUV的长距离导航”。特别是2007年《海军无人水面艇主计划》的发布，标志着美国无人水面艇走上正规发展阶段，该计划不仅为无人水面艇赋予了7项任务，同时还界定了无人水面艇的船型、尺寸和标准等要素以色列“保护者”型无人水面艇已经开始批量生产，并装备部队。在勘察探测领域，各种形状的船体被投入使用，特别是双体船以其特有的稳定性，更加受到青睐。意大利的双体船“SESAMO”被用于支持南极洲海洋科学的研究。SUV虽然用途广泛，但是和其他的机械设备一样受到能源供给的制约。因此，各种海洋可再生能源像风能、太阳能、甚至波浪能正在被用于推动USV的运行。综上可知USV技术正在向多任务、多级别、多动力方向不断发展。

第二章系统总体设计

本章首先将对系统的工作方式和难点问题进行分析，在此基础上制定系统需求然后根据系统需求介绍系统所包含的模块并对系统的软硬件结构进行设计。

2.1系统工作流程及需求分析

本文以项目的设计过程为导向，因此设计合理的工作流程并对工作流程进行分析，提取出系统需求是方案设计、实施、实验验证等后续工作的前提，关系到整个项目的成败。

2.1.1系统工作流程分析

如图2.1所示，为采集某一水域的水质信息，首先使用我们设计的带有自主避障功能的USV在该水域中按照预先设定的GPS目标航线航行，USV上安装有GPS传感器和水质信息采集模块，可沿途采集GPS坐标位置信息和对应位置上的水质信息。数据釆集到之后，在网络信号好的情况下USV可通过Wi-Fi或通信模块与岸上基站进行信息传输，将采集到的信息直接传输至岸上进行处理；当网络条件不好的情况下USV将数据信息保存到系统自带的高速内存卡上，等任务结束后USV返回预先设置的坐标点进行人工回收，此时可以将内存卡中的数据回收并进行处理。

数据采集完成后将数据导入MATLAB绘制带有GPS坐标点信息和水质信息的水质分布图。当发现水中某一污染物超标时，找到可能的污染源头位置后，这里可能水比较深水质不清，常规方法没法发现是否水下有排污管道，因此我们利用声纳采集此处的水下地形图，分析是否因为非法排污而引起水质破坏。

2.2理件系统设计

2.2.1船体及御系统硬件

硬件系统是整个项目的载体和基础，通过前两节对系统工作方式以及系统需求的分析，我们来设计系统的软硬件结构。图2.2和2.3分别为USV系统硬件实体图和连接图。

根据第一章中对USV的研究与分析，我们对USV进行改造设计。历史上大部分的USV船体，都是改装自其他用途的船只，如渔船、水上快艇等。通过对这些载体进行技术改造，添加各种导航、避障及与各种任务相关的传感器，然后设计合理的控制程序，设计成能够完成特定任务的。因此，为节省设计时间和项目成本，我们也采用这种方法设计USV。

1）船体部分

我们的船体由大型玩具船改造而成，船长1m，宽0.3m，高0.25m。船体由高初度材料注塑而成，轻、薄、坚朝，抗冲击能力强。并有大容量船舱可以安装控制系统板卡和大容量供电系统，延长续航时间。船上安装扩展玛，用于安装GPS传感器，INS传感器等容易被电磁干扰的传感器。

2）通信模块网络通信模块承担着数据传输的重要任务，通信网络系统包括和两套通信方案。Wi-Fi系统带宽大通信价格低廉，但是传输距离较近，无遮挡的情况下的传输距离一般在50米以内，用于声纳数据和环境数据的传输，3G网络系统带宽相对较窄、通信价格昂贵，但是具有远距离传输的优势，用于远距离命令的发送。

第三章基于单波束声纳的避障算法设计.......23

3.1声纳控制及命令分析........23

3.1.1声纳控制流程.........24

3.1.2声纳命令分析.......25

第四章水下地形绘制.......41

4.1水下地形绘制方法概述.......41

4.2三维点云获取.......42

第五章湖泊实验......53

5.1实验设置.......53

第五章湖泊实验

5.1实验设置

为了验证系统的运行效果，我们进行了湖泊实验，实验的场地为我校的一个人工湖。实验预期的目标在2.1节己经分析过，使用我们设计的带有自主避障功能的USV在湖中依次遍历预先选取的坐标点，USV上安装的GPS和水质信息采集GPS模块沿途采集坐标位置信息和对应位置上的水质信息。如果网络条件允许，USV通过Wi-Fi将采集到的信息直接传输至岸上进行处理；如果网络条件不允许，USV将数据信息保存到系统自带的高速内存卡上，等任务结束后USV返回预先设置的坐标点将内存卡中的数据回收并进行处理。

因为测量范围比较小，PH值、溶氧量、盐度、池度等参数差异并不明显，考虑到水环境参数的变化明显程度以及实验的简易性等因素，我们选择温度作为被测参数，测量传感器为2.2.2.2中介绍过的Starmonmini，并且选择阳光较为强烈的午后进行实验。

5.1.1目的坐标点获取

USV下水之前我们首先选取5个坐标点，实地测量出每一点对应的经炜度，作为目标点，选取的五个坐标点在谷歌地图上的位置如图5.1所示。

第六章工作总结与展望

作为机器鱼项目的一期工程，我们以厦门市火电站附近近海与湖泊的水质监测项目为研究背景，设计了具有自主避障、GPS坐标点导航和水质检测功能USV系统。通过大量的实验，项目取得了预期的目标与良好的效果。为以后项目的进行积累了宝贵的经验和解决问题的方法。特别是在声纳的使用和算法设计、声纳数据处理以及数据通信方面获得了第一手的实验资料。

但是因为项目开始研宄的时间还比较短，涉及到的内容非常繁杂，难度比较大，其中也发现了一些问题。

1）USV在比较平静的湖面能够比较好的航行，但是因为船身较小，抗风浪能力比较差，在近海航行具有一定难度。

2）在开阔水域导航和避障系统能够良好的运行，但是因为两个模块是分开设计的，因此遇到比较狭窄的U型水域，导航比较困难，还需要进一步的研究。

3）用我们的方法能够获取到具有良好识别率的水下地形图，但是因为单波束声纳本身的约束，尚不能达到自动扫描水下地形，智能化程度不够。

对于项目中发现的问题，将在接下来的机器鱼二期工程中重点解决，我们设计制造的机器鱼己经组装调试完成，并且进行了水池实验，如图6.1所示为机器鱼在水池中进行航行试验。

机器鱼不仅具有良好的抗风浪能力，更有良好的防水性能。通过控制鱼体重心的位置，在尾鳍的配合下能够实现上浮和下潜。同时，机器鱼具有所有类型的传感器和功能模块，不仅能够更好地完成水质检测的任务，还可以有更加广泛的用途。

参考文献（略）