基于時間序列的浮動無人機漁業水質監測與預測評價系統
- 摘要
- 引言
- 1.1 基于無人機的研究
- 1.2 水質預測與評價的背景
- 2. 硬體和方法
- 2.1 無人機浮動結構
- 2.1.1 旋翼動力學分析
- 2.1.2 浮動結構建模
- 2.1.3 浮動結構仿真
- 2.2 水質監測系統
- 2.2.1 傳感器陣列
- 2.2.2 硬體設計
- 2.2.3 軟體設計
- 2.3 水質預測
- 2.3.1 水質資料獲取
- 2.3.2 基于時間序列的水質資料預測模型
- 2.3 水質評價指標
- 3. 結果和討論
- 3.1 實驗室測驗
- 3.1.1 水質監測系統測驗
- 3.1.2 無人機浮動結構測驗
- 3.2 現場實驗
- 3.2.1 無人機性能測驗
- 3.2.2 浮動無人機水質監測
- 3.3 時間序列模型預測實驗
- 4. 結論
摘要
為實作實時監測目標水質，由一架攜帶水質傳感器的六旋翼浮動無人機完成，然后利用GPRS模塊實作遠程資料傳輸，水質傳輸資料的預測主要通過時間序列綜合分析演算法實作，
引言
隨著水污染現象日益嚴重，各國對漁業安全的重視程度越來越高，對水質的要求也越來越高，直接監測水質易受多方面影響，不具有時效性和科學性，一旦發生水質災害，將給漁民帶來無法彌補的損失，實時預測和評價影響水質變化的因素具有很大的實用價值和經濟效益，通過將微型無人機（UAV）與物聯網結合，實作早發現、早報告、早處置，
1.1 基于無人機的研究
無人機最初被設計用來代替人類完成高強度、高風險的作業，以提高作業效率，他們在各個領域發展非常迅速，現在它們已經充分滲透到人類生活中，也在環境監測領域得到了充分的應用，現有的環境監測無人機主要有兩種使用方式，一種是攜帶攝像機調查水污染地區和垃圾的分布情況，另一種是配備環境空氣監測設備，監測空氣中氣體或顆粒物的濃度或煙囪排氣排放，水質監測需要全球觀測和目標地區大量的區域觀測，為了獲得大量高質量的區域觀測資訊，需要一個操作靈活、可控性高的無人機系統，然而，在現有的水質監測技術中，無人機還沒有得到充分的開發和應用，主要原因是該系統在自由水面附近作業時易受風浪等環境影響，系統穩定性和運行精度較低，自主巡航能力較差，
接下來介紹采用無人機進行水質監測的研究，缺點在于設計中無人機的資料存盤在本地硬體中，沒有實時監控，此外，無人機存在一定的穩定性、耐力和負載不足，無法實作長期的跨區域監測任務，
引出本文所需要的載體物件：多旋翼無人機，與其他型別無人機對比分析其優點，
1.2 水質預測與評價的背景
描述國內外的水質預測方法（用了一張表來列舉，包括方法分類、使用的方法、局限），為此，本文結合上述突出問題進行研究 ,設計了一個完整的系統解決方案，該系統以無人機平臺為載體，以測量常用水質指標為研究物件，對水質深入調查分析，
2. 硬體和方法
本部分對實施水質監測系統的無人機平臺進行深入研究，詳細介紹了三種電化學水質傳感器的作業原理，并設計了相應平臺的軟體和硬體，在此基礎上，編制了水質評價定量規則表，最后闡述了基于時間序列分析的水質資料預測的理論方法，
2.1 無人機浮動結構
本節詳細討論了無人機的氣動特性，設計了一種能夠滿足無人機在水上平穩起降的浮體結構，并對其進行了仿真分析，
2.1.1 旋翼動力學分析
看不懂，應該是講旋翼的受力
2.1.2 浮動結構建模
在對旋翼氣動分析基礎上，對單個旋翼進行仿真，得到對單旋翼在懸停狀態下的仿真圖，從仿真圖的分析中得出，為減小側向風擾動，對剖面進行了適當的減小，得到最后的設計圖，
2.1.3 浮動結構仿真
將上述建模程序得到的浮動結構進行仿真分析，主要包括壓力和形變兩個方面，對仿真結果進行分析，證明浮體結構底部結構穩定且可以幫助實作平穩起降
2.2 水質監測系統
2.2.1 傳感器陣列
主要介紹所使用的傳感器及其原理
2.2.2 硬體設計
水質監測系統主要包括功率轉換模塊、水質采集模塊、最小系統模塊、資料遠程傳輸單元和移動平臺，
2.2.3 軟體設計
水質監測系統軟體設計的目的是將硬體結合起來形成一個完整的物聯網監測系統，軟體部分包括資料采集處理、遠程資料傳輸、資料監控記錄，
資料采集對于物聯網的感知層，傳感器采集資料均為模擬量，需要轉換成數字量進行輸出，遠程資料傳輸將本地查詢回應的資料打包成訊息段，使用TCP協議進行遠程傳輸，資料監控記錄由物聯網系統應用層完成，
2.3 水質預測
2.3.1 水質資料獲取
2.3.2 基于時間序列的水質資料預測模型
2.3 水質評價指標
3. 結果和討論
本文按照現場試驗-現場仿真進行
3.1 實驗室測驗
實驗室測驗主要是驗證漂浮式無人機是否可以攜帶電化學傳感器進行水質監測
3.1.1 水質監測系統測驗
首先，為了比較和驗證傳感器的可靠性，進行了對比試驗
3.1.2 無人機浮動結構測驗
3.2 現場實驗
3.2.1 無人機性能測驗
3.2.2 浮動無人機水質監測
3.3 時間序列模型預測實驗
實驗分為晴天和雨天
4. 結論
本文詳細介紹了利用無人機進行長期水質監測和未來水質趨勢評價的解決方案，首先，對一個完整的浮動無人機水質監測軟硬體實驗平臺進行了計算，包括水質監測系統和浮動無人機平臺的設計，結合時間序列綜合分析方法，建立ARIMA模型，實作水質預測，建立評價規則表，對預測資料進行綜合評價，最后，實驗和結果分析表明，基于浮動無人機的水質監測與預測評價系統能夠成功完成水面上著陸-漂浮-起飛的水質監測任務，它提供了物聯網平臺的資料可視化展示，資料可以順利存盤和分析，通過時間序列分析建立的ARIMA模型可以準確實作水質預測，結合評價準則，對預測的水質狀況進行綜合分析，未來的作業范圍是研究浮體結構的優化，以達到最佳的效果，
論文地址：基于時間序列的浮動無人機漁業水質監測與預測評價系統
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