从古至今,水是人们赖以生存的重要条件,同时水污染问题也日益严重,实现对河流,湖泊以及养殖区域的水质检测,从而找到污染源的位置,显得尤为重要。现有水质监测站、浮标和大型的水面检测船艇等水质检测装置存在着成本较高、检测不灵活、检测水质区域数量有限和部分水域无法检测等情况,导致水质检测的时效性较差。因此,本文设计并实现了一种基于无人船装置的水质环境动态监测系统,可实现对河流、湖泊、狭长水域和养殖区域等环境的水质检测以及污染源的追踪定位。本文主要完成以下工作和设计:(1)针对环境监测,通过改造现有的水面无人船结构,设计出监测无人船硬件系统,包括电源管理模块、主控制芯片模块、采集取样模块、无线通讯系统模块、存储模块、水质传感器监测系统模块和GPS定位模块,还有电机驱动模块接口、视频采集系统模块接口、电子罗盘模块接口以及激光雷达模块接口;并通过软件设计,实现了无人船的自主航行和避障、以及水质采集和取样等功能。(2)通过构建污染源的扩散模型,设计了一种基于Goldsim仿真算法、路径跟踪算法和浓度梯度法联合的河流污染源定位方法。(3)研究路径跟踪算法和避障策略,采用基于Lyapunov的非线性控制率使路径跟随误差坐标收敛到零,实现无人船的自主航行和避障,并用启发式方法来解决基于路径曲率测量和转向动作预测的提前适应速度问题。(4)设计了无人船的上位机界面,包括无人船控制方向、水面图像视频、激光雷达轮廓、GPS定位信息、船体方位和水质数据曲线等,可实现远程监测、控制和数据获取。通过实验证明,本文设计的基于无人船装置的水质环境动态监测系统可以实现在河流上自主航行,通过基于Lyapunov的非线性控制率和启发式方式实现跟踪避障,还可以进行水质数据的采集和取样,以及污染源的追踪定位。在上位机界面上也实现了对无人船的远程控制、图像数据的传输和显示以及显示水质曲线,并通过无人船采集的浊度传感器数据绘制出浊度的污染物浓度三维图。实验结果表明,无人船水质环境动态监测系统满足设计的要求,达到系统设计指标,能够适用于养殖监控、河流、湖泊和城市内河以及复杂情况的水域,进行不间断监测。