一种新型水面无人艇操纵性及协同策略研究

发布时间：2017-03-22 19:13

  本文关键词：一种新型水面无人艇操纵性及协同策略研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：21世纪,许多国家都看到了水面无人艇(USV)的巨大潜力并相继开展了对USV的研究。单一的USV平台可搭载的传感器或设备模块有限,只能完成一些简单的使命。当面对复杂、多样化的任务时,多个USV进行协同作业,不仅克服了单一USV平台在功能上的限制,而且大大提高了作业效率与范围,这在军、民领域都有很好的应用前景。近年来,我国在USV水文监测和气象探测等方面取得了一些突破性的进展,但在水面无人艇协作技术、协同作业策略、协同系统等领域几乎处于空白状态。本文提出一种含防飞溅片体的“新型”USV艇型概念,以模型试验为主,辅以理论分析与程序编译方法,对新型USV的操纵性能及其协同策略进行了研究,主要研究工作及分析如下:(1)完成了新型USV艇模的设计和制作,对推进系统和操纵系统进行了详细设计,确定了合适的主机、轴系、螺旋桨、舵叶和舵机。提出了新型USV的智能控制系统的架构。其中,上位机系统用于在岸基观测USV的位置、姿态及环境感知信息;下位机系统以可编程控制器(PAC)作为核心控制器,包含各种现代艇载设备、传感器和相应控制程序。通过反复测试,该智能控制系统可以满足试验需求。(2)对新型USV开展了操纵运动自航模试验:主要包括惯性冲程试验、回转试验和Z形操舵试验。对试验采集到的各类数据进行了全面的分析,主要包括:航速与控制电压的关系;不同控制电压以及不同的吃水状态对冲程时间和惯性距离的影响;不同航速和吃水状态对回转直径的影响;不同控制电压及不同舵角对回转直径的影响;航速对超越角的影响;航速对转向滞后时间的影响;不同操舵角情况下艏向角随时间的变化;无因次化的回转性指数K′和应舵指数T′随时间的变化。分别阐述了遗传算法和混沌算法的原理,提出了基于混沌遗传算法的系统辨识流程,用VB.NET语言编译了一套“新型水面无人艇操纵运动系统辨识程序”,并对回转运动的试验数据进行了辨识计算,通过对比辨识结果与试验数据的相对误差,验证了该程序的可靠性。(3)提出了多USV在协同搜索、协同路径跟踪、协同水文气象监测和其他多任务场景四个方面的协同作业策略。讨论了USV协同系统与其它多无人平台之间的协同体系,总结了多USV协同作业系统的优势。提出一种模糊控制规则,基于VB.NET编译了自主航行控制程序,开展了三项协同作业试验的初步研究。基于VB 6.0编译了“新型水面无人艇岸基终端软件”(上位机),通过协同作业试验验证了该上位机系统和下位机系统的可靠性及相应协同策略的可行性,为多USV协同作业策略的深入研究提供参考与借鉴。
【关键词】：水面无人艇(USV) 模型试验 操纵性 系统辨识 协同作业策略
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.77
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 第1章 绪论16-25
• 1.1 引言16
• 1.2 选题的理论意义和实用价值16-17
• 1.3 国内外研究现状17-24
• 1.3.1 水面无人艇研究现状与发展17-22
• 1.3.2 水面无人艇操纵运动研究现状22-23
• 1.3.3 水面无人艇协同技术与其他智能体协同技术的研究现状23-24
• 1.4 本论文研究工作24
• 1.5 本章小结24-25
• 第2章 新型水面无人艇模选型设计与安装25-40
• 2.1 引言25
• 2.2 艇模选型设计与制作25-30
• 2.2.1 艇模选型25-27
• 2.2.2 艇模制作27-30
• 2.3 艇模推进系统设计与安装30-35
• 2.3.1 主机选型30-31
• 2.3.2 轴系设计31-33
• 2.3.3 螺旋桨设计33-35
• 2.4 艇模操纵系统设计与安装35-39
• 2.4.1 舵叶的设计35-37
• 2.4.2 舵力计算37-38
• 2.4.3 舵机选型38-39
• 2.5 本章小结39-40
• 第3章 新型水面无人艇智能控制系统设计40-51
• 3.1 引言40
• 3.2 核心控制器40-42
• 3.3 导航定位系统42-44
• 3.3.1 DGPS42-43
• 3.3.2 三维电子罗盘43-44
• 3.4 环境感知系统44-47
• 3.4.1 激光测距传感器44-45
• 3.4.2 摄像机45-46
• 3.4.3 风速、风向传感器46-47
• 3.4.4 声呐传感器47
• 3.5 通信系统47-48
• 3.6 能源系统48
• 3.7 设备布置方案48-50
• 3.8 本章小结50-51
• 第4章 新型水面无人艇操纵运动辨识模型51-65
• 4.1 引言51
• 4.2 新型USV操纵运动数学模型51-59
• 4.2.1 新型USV运动方程52-54
• 4.2.2 操纵运动线性数学模型54-56
• 4.2.3 整体型数学模型56-57
• 4.2.4 分离型数学模型57-58
• 4.2.5 响应型数学模型58-59
• 4.3 遗传算法59-61
• 4.3.1 遗传基本原理59-60
• 4.3.2 遗传算法操作步骤60-61
• 4.4 混沌遗传算法61-62
• 4.4.1 混沌算法基本原理61
• 4.4.2 混沌遗传算法原理61-62
• 4.5 系统辨识62-63
• 4.5.1 系统辨识基本原理62-63
• 4.5.2 系统辨识基本过程与实现63
• 4.6 本章小结63-65
• 第5章 新型水面无人艇操纵运动试验分析65-92
• 5.1 引言65
• 5.2 惯性冲程试验65-70
• 5.2.1 惯性冲程试验方案65-67
• 5.2.2 惯性冲程试验数据与分析67-70
• 5.3 回转试验70-77
• 5.3.1 回转试验方案70-72
• 5.3.2 回转试验数据与分析72-77
• 5.4 Z形操舵试验77-83
• 5.4.1 Z形操舵试验方案77-78
• 5.4.2 Z形试验数据与分析78-83
• 5.5 系统辨识在USV操纵运动中的应用83-91
• 5.5.1 辨识模型84
• 5.5.2 辨识方法84-87
• 5.5.3 辨识结果与分析87-91
• 5.6 本章小结91-92
• 第6章 新型水面无人艇协同作业策略与试验初步研究92-121
• 6.1 引言92
• 6.2 协同搜索92-98
• 6.2.1 平行协同搜索93-94
• 6.2.2 分批次协同搜索94-96
• 6.2.3 象限协同搜索96-98
• 6.3 协同路径跟踪98-104
• 6.3.1 路径跟踪数学模型98-101
• 6.3.2 协同直线路径跟踪101-103
• 6.3.3 协同圆形路径跟踪103-104
• 6.4 协同水文气象监测104-105
• 6.5 其他多任务场景的协同作业105-108
• 6.6 多无人平台协同系统108-110
• 6.7 USV协同作业系统的优势110-111
• 6.8 新型水面无人艇协同作业试验初步研究111-120
• 6.8.1 控制规则111-113
• 6.8.2 协同作业试验与分析113-120
• 6.9 本章小结120-121
• 总结与展望121-124
• 参考文献124-130
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和取得的科研成果130-132
• 致谢132

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