水质监测机器人集群通信网络部署及路径规划策略研究

作     者：智超群 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鲁旭涛;张云逸

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水质监测机器人 无线通信网络 集群路径规划 免疫算法 粒子群优化算法 

摘      要：随着智能化技术在水资源环境保护领域的普及,掀起了智慧水质监测的研究浪潮,而现有的技术方案在水质监测机器人集群的信息传输以及路径规划方面仍然存在通信网络结构复杂、能耗高,路径规划方案效率低下等缺点。对此,本文对水质监测机器人进行了功能模块设计,并在此基础上研究了水质监测机器人集群通信网络节点的优化部署方案,以及水质监测机器人集群路径规划的策略。具体内容如下:第一,搭建了可进行灵活拆卸水质监测机器人功能模块,主要包括船载动作单元、水质监测单元以及控制单元,可针对不同的水域环境进行监测模块的调换。第二,构建了多级分层式的水质监测无线通信网络。对组网的通信设备进行了选型及匹配测试;制定了相关的数据传输协议;建立了无线通信网络节点部署模型,包括通信网络全连通模型、节点部署及能耗模型。第三,对水质监测机器人集群的运动方式进行描述,建立了机器人集群协同作业的最优路径模型,对机器人集群运动过程中减少路径交叉节点及缩短路径长度问题进行了研究。第四,对水质监测方案进行了系统功能验证测试;对无线通信网络节点部署方案进行了仿真对比实验;仿真和对比了水质监测机器人集群路径规划方案。试验结果显示,该系统建立的智慧水质监测方案符合其基本功能。与未改进算法相比,通信网络的改进算法不仅可以提高寻优速度21.3%,而且可以减少整个通信网络的能量消耗7%,有效地提高了通信网络的生存周期。在集群路径规划策略方案与未改进算法相比,能够有效的减少路径交叉节点5个,总路径长度缩短133.826km,缩短了执行任务所需路径长度,提高了算法收敛速度。