双体无人船运动建模及自主航行控制设计

发布时间：2020-04-25 18:02

【摘要】：双体无人船运动建模是研究其自主航行控制设计的基础。通过自主设计双推进器双体无人船,基于双推进器差速控制航向原理构建运动模型,结合模糊PID控制算法设计航向控制器与航迹点跟踪算法,对运动模型进行仿真设计实现了航迹点跟踪。同时设计栅格地图,实现基于激光雷达的障碍物检测,在犀湖进行试验完成自主航行。仿真与试验结果均验证了模型设计准确性与自主航行控制设计有效性。基于工控机和微控制器设计无人船软硬件平台。利用C#WinForm与MySql技术设计上位机软件,实现工控机与差分GPS、激光雷达、微控制器间的多线程串口通信,完成信息存储。嵌入式控制器根据上位机软件下发的控制命令,通过PWM波控制电机推进器实现两路电机驱动控制。构建了双推进器双体无人船运动模型。根据附体坐标系和惯性坐标系下的运动分析,构建无人船运动学模型;基于MMG建模原理,通过分析无人船在双推进器作用下受力情况构建三自由度无人船动力学模型;通过无人船条件测试完成部分模型参数辨识得到无人船运动模型,并且进行回转运动仿真实验,仿真结果与试验结果的一致性验证了本模型的有效性。设计控制算法实现航迹点跟踪。分析双推进器无人船航向控制原理,设计航向PID控制器和航向模糊PID控制器,同时考虑风浪干扰,对无人船动力学模型进行仿真,结果表明航向模糊PID控制器控制效果较好。在此基础上,基于间接航迹跟踪控制设计航迹点跟踪算法,并在犀湖进行试验完成航迹点跟踪。构造栅格地图实现障碍物检测。通过激光雷达感知周围环境,TX2获取三维点云数据,将三维点云投影到二维栅格地图中,利用阈值分割法判断栅格属性实现点云数据预处理;基于OpenCV膨胀腐蚀算子分析并提取障碍物轮廓;无人船根据障碍物位置信息作出相应动作实现避障,最后在犀湖通过试验实现自主航行。
【图文】：

西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 页其中，“精海 1 号”在中国海事第二次南海巡航中实现了首航[8]，并完成了南海诸岛礁的测量任务，如图 1-1 所示。2018 年 7 月该团队研发轻量级“精海 8 号”，，如图1-2 所示，具有路径规划、导航避障、目标识别等功能，能够自主完成岛礁礁盘测绘、水文信息测量等作业。

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并完成了南海诸岛礁的测量任务，如图 1-1 所示。2018 年 7 月该团队研发轻量级“精海 8 号”，如图1-2 所示，具有路径规划、导航避障、目标识别等功能，能够自主完成岛礁礁盘测绘、水文信息测量等作业。图 1-1 “精海 1 号”无人艇图 1-2 “精海 8 号”国内外各大公司争相研发功能型无人船。国内云洲智能公司研发 SE40 全自动无人监测船如图 1-3 所示，该无人检测船工作航速 2m/s，续航 4 小时，最多实现十个障碍目标识别，具有水文流量流速测量、水下地形测绘、水质在线监测等功能。美国 Marine Advanced Robotics 公司已经研发成熟的 USV（Unmanned Surface Vehicle）类产品[9]，其中 WAM-V20 如图 1-4 所示，具有较强的测量耐力与速度，同时扩展了远程传感器部署等功能，实现了独立的线路跟踪。图 1-3 云洲智能 SE40 全自动无人监测船图 1-4 美国 WAM-V20在无人船技术不断发展与更新的过程中，2016 年 3 月 1 日
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.82;U674.951

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