(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111661953.9 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 刘星桥　朱雨朋　刘一颍　宦娟　 (51)Int.Cl. G01N 33/18(2006.01) G01S 19/42(2010.01) G01C 17/32(2006.01) G06Q 10/04(2012.01) (54)发明名称 一种基于改进粒子群优化算法的无人船最 短路径水质监测系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于改进粒子群优化算 法的无人船最短路径水质监测系统及方法， 以物 联网的感知层、 传输层、 应用层为架构， 结合改进 粒子群优化算法使得水质监测无人船能够在多 个监测点任务下规划出遍历所有监测点总长度 最短的一条路径并依次执行水质监测任务。 上位 机界面加载百度地图， 通过鼠标点击百度地图中 的水域设置若干监测点并保存各个点的经纬度 坐标， 通过上位机中的改进粒子群优化算法对各 个点的经纬度坐标进行计算并规划出一条最短 路径， 在自动航行模式下， 无人船按照规划的路 径先后到达指定的监测点作业。 本发 明具有成本 低、 效率高、 定位精度高、 多监测点路径寻优、 水 质实时测量显示、 耗电量低等优点。 权利要求书4页 说明书7页 附图6页 CN 114354870 A 2022.04.15 CN 114354870 A 1.一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系统， 其特征在于， 包括： 感知层、 传输层、 应用层； 所述感知 层包括主控芯片、 测量装置、 动力系统、 电源 模块； 所述传输层采用无线数传模块， 包括GPRS—DTU模块和LORA模块， 用于实现感知层与应 用层通信； 所述应用层采用C/S结构， 建立应用层与所述无线数传模块的连接， 应用层部分集成改 进粒子群优化 算法， 用于远程控制无 人船的最短路径航行。 2.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系 统， 其特征在于， 所述主控芯片采用基于 Cortex‑M4内核的STM 32单片机 。 3.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系 统， 其特征在于， 所述测量装置包括GP S/BD定位模块、 电子罗盘模块、 水质参数检测模块； 所述GPS/BD定位模块用于测量无 人船的实时经纬度数据； 所述电子罗盘模块用于测量无 人船实时的航向角数据； 所述水质参数检测模块为四合一传感器， 包括： 溶解氧传感器、 温度传感器、 气压传感 器、 饱和度传感器， 用于测量溶解氧浓度、 水温、 气压值和饱和度数据。 4.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系 统， 其特征在于， 所述动力系统包括船体两侧的水 下直流电机和无刷电调； 所述水下直流电机驱动螺 旋桨用于无 人船的直行和转向； 所述无刷电调通过PWM波对电机调速 。 5.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系 统， 其特征在于， 所述电源 模块为可充电锂电池， 为系统供电。 6.根据权利要求1所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测系 统， 其特征在于， 所述应用层的后台程序基于Qt5.9平台使用C++语言开发一个可视化的上 位机界面， 通过串口或者TCP/IP协议接收测量装置发送的数据并进行解算， 将解算的各个 数据实时的显示在对应的LineEdit中； 在服务器后台程序中嵌入由HTML、 CSS以及 JavaScript语言开发的百度地图HTML文件， 内置改进粒子群优化算法， 在地图中设置多个 监测任务点， 通过改进粒子群优化算法调用各个点的经纬度坐标值计算得到一条最短路 径， 控制无 人船按照规划出的最短路径执 行监测任务； 其中， 上位机可视化界面包含数据显示区、 地图显示区、 模式切换区、 手动控制区、 数据 库窗口区； 所述数据显示区显示测量装置测得的数据和路径规划的结果， 如经纬度、 航向角、 水质 参数以及规划出的最短路径各个点的航行顺序； 所述地图显示区能加载百度地图， 在地图上通过虚折线实时的显示接收的无人船的经 纬度数据形成一条航迹， 能通过鼠标在地图上设置目标点并记录各目标点的经纬度数据； 所述模式切换区包括两个部分， 其一为切换所述无线数传方式为GPRS ‑DTU通信或LORA 通信， 其二将无人船设置为手动控制模式和自动导航模式， 在手动控制模式下通过鼠标点 击所述手动控制区按钮控制无人船 的运动， 在自动导航模式下， 当上位机通过嵌入的改进 粒子群优化算法规划出一条最短路径时， 点击自动航行按钮， 无人船按照规划的路线依 次 巡航；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114354870 A 2所述手动控制区可以通过鼠标点击相应的控制按钮实现无人船的前进、 后退、 左转和 右转； 所述数据库窗口区为显示二级子窗口， 该窗口记录并显示目标点的经纬度数据以及水 质参数信息 。 7.一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测方法， 其特征在于， 包括 如下步骤： 步骤1： 无人船与上位机建立通信连接， 电子罗盘获取无人船的实时航向角数据， GPS/ BD模块获取无人船实时的经纬度数据， 将数据上传到上位机； 上位机解析收到的经纬度数 据， 将其转换为百度地图格式， 统一经纬度坐标； 步骤2： 在上位机界面的百度地图中手动设置各个水质监测的目标点并保存各个目标 点的经纬度坐标值， 设置无人船为自动导航模式， 将无人船目前所 处的位置作为起点， 点击 路径规划按钮通过改进的粒子群优化算法调用起点和各个目标点的经纬度坐标值进行计 算， 规划得到一条最短路径， 并保存最短路径的各个点的先后顺序， 点击自动航行按钮开启 自动航行； 步骤3： 上位机取出当前位置的经纬度值和下一目标点的经纬度值， 计算两个点之间的 距离和方位角； 步骤4： 将方位角与步骤1中上位机收到的航向角对比得出无人船的转向角， 经过逻辑 判断后发给感知层的单片机相应的指令以控制无人船转向， 随着无人船 的运动， 通过虚折 线在百度地图上实时的标记无 人船的航迹； 步骤5： 判断无人船是否到达目标点， 如果没有， 重复执行步骤3， 如果到达目标点， 上位 机发送相应控制指 令给单片机对目标点的水质进 行检测， 将 检测的数据发送 给上位机进 行 显示并保存到数据库； 步骤6:判断无人船是否遍历所有目标点， 若完成遍历， 本次任务结束， 若尚未遍历所有 目标点， 重复执 行步骤3到步骤5， 直到 完成遍历监测任务。 8.根据权利要求7所述的一种基于改进粒子群优化算法的无人船最短路径水质监测方 法， 其特征在于， 所述 步骤2具体执 行以下步骤： 步骤2.1： 在上位机的百度地图中设置n个目标点， 记录各个目标点的经纬度值和序号， 在自动导航模式下， 点击 路径规划按钮， 调用改进 粒子群优化算法， 初始化粒子群的群体规 模N以及每 个粒子的初始位置xi和初始速度vi； 步骤2.2： 每个粒子在n个设定的目标点中单独的遍历所有点， 遍历的各个点的顺序记 为该粒子的历史最优位置Pbest(i)， 并记录其对应的适应度值Fit[ Pbest(i)]； 步骤2.3:对每个粒子的适应度值做比较， 找出全局最优粒子， 记录其位置为全局最优 位置Gbest， 记录其适应度值 为Fit[Gbest]； 步骤2.4： 更新每 个粒子的速度vi和位置xi； 速度vi的更新公式为： 位置xi的更新公式为： xi＝xi+vi    (2)权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114354870 A 3