遥自主水面无人艇控制系统设计与研究

发布时间：2020-05-17 02:03

【摘要】：航行交通设备的无人自主化已经成为了当今社会发展的趋势和主流。从机器人、无人机、无人车到无人船、无人艇,都在大量的接收着社会的资金,技术和人才,快速的发展着。其中水面无人艇作为水面航行设备中体型较小,功能丰富的设备之一,也成为了控制界研究的热门对象。然而,由于水面环境相对于陆地和天空,更加的复杂,干扰更大。且水面无人艇大多是欠驱动的,由一个推进器和一个舵控制无人艇三个自由度的运动,这极大的提高了控制的难度,使水面无人艇的自主性相对于其他无人设备落后了一截。同时,由于传感器和图像识别上的短板,自主设备对复杂情况下的避障处理的效果不是很好。所以本文针对上述问题,独立自主的设计实现了一艘遥自主水面无人艇的控制系统,包括硬件平台,控制软件以及多种控制器,提出了水面无人艇遥自主控制算法,通过设计的仿真和实船实验,验证了遥自主水面无人艇控制系统的稳定和可靠。本文首先建立了地球固定坐标系和船舶随动坐标系,来描述无人艇在水平面的运动,进一步介绍了国际通用的水面船舶状态和参数的名称以及符号。然后通过分析水面无人艇的水动力特性和运动特性,在三自由度水面无人艇运动模型的基础上,分析推导出了水面无人艇操纵响应方程:Nomoto模型。接着介绍了LMI(Linear Matrix Inequality)的背景和原理。在{SF}坐标系下,建立了水面无人艇航迹跟踪问题的数学模型,设计了基于LMI约束的预测控制航迹跟踪控制器。又介绍了碰撞锥理论,并建立了基于碰撞锥理论的水面无人艇避障模型,设计了基于LMI约束的碰撞锥避障控制器。同时,还设计进行了了针对本文的遥自主水面无人艇参数的MATLAB仿真实验。然后又详细阐述了遥自主水面无人艇的软硬件设计原理及思路,包括硬件部分的无人艇艇身、无人艇推进机构、无人艇转向机构、无人艇电控系统以及软件部分的运动控制软件界面、通讯模块、文件管理模块、事件模块以及LMI算法实现模块。最后进行了实船实验,利用了Gauss-Kruger投影解决GPS的坐标变换问题,又解决了实船实验时遇到的传感器参数跳变和舵角不准确的问题。进行了KT实验,来辨识水面无人艇操控性模型中的未知量。介绍了实船实验环境和步骤,并分析了实船实验结果,验证了遥自主水面无人艇控制系统的稳定性和有效性,且发现了本文研究仍存在的一些不足。
【图文】：

障碍物,环境,工况,水下潜器

又称为 Unmanned Surface Vehicle(USV)，一般泛指各种无人在艇舰艇，近年来受到世界各国关注和研究，应用也越来越广泛。无人艇的应事用途方面和民间用途两大方面。军用方面，无人艇可以装备各种作战设运输载具进行远程投放作业，，也可在基地直接近岸投放，进行作战保护、体应用有：扫雷，清除障碍，战术欺骗，战斗掩护，战场评估（BDA），习和标靶等等。民用方面，无人艇可以搭载各种传感器，数据采集设备以在目标水域投放，实现各种功能作业。具体应用有：水文监测，水域测绘，打捞，渔业作业等等。由于无人艇通常工作在空气和水两种介质的交指标和实现功能同其他无人设备区别很大。在实现功能方面，无人艇需要无人潜器的优势，可以跨介质实现空气和水下的各种功能。在技术指标无人机有着更加长的续航时间，有效载荷更大并且可以搭载水下传感器；程、自主性方面则稍逊一筹。而对比于水下潜器，无人艇则有更长的续航时大，速度更快，载荷大，航程长，并且能部署水上多种传感器，且通信质，可无线化；但在隐身方面，无人艇不及水下潜器，且深层水下传感器也

美国,美军,子船

从表中可以看到，在无人艇研究制造方面，美国占据着绝对的优势。美国作为世界军事实力最强的国家，其海军实力也是世界最强的。美国海军一直大量投资发展无人艇技术，将先进的无人艇配备给海军的各个兵种，去执行多种作战任务。美国的无人艇军用可以追溯到二战时期，当时美军通过遥控配备了机枪和火炮的无人艇来远程攻击敌军。1946 年美国进行了代号为“十字路行动”的核爆炸试验，并用无人艇取样了试验区域的水源，研究核爆后水源的放射性情况[9]。在 1960 左右的对越战争中，美军遥控 USV 进行远程扫雷的作战任务[10]。之后，美军建立了反水雷舰艇系统，系统设计为母船子船合作排雷的方式，其中的子船就广泛的使用了无人艇[11]。到了 1990 年前后，美军开始研发更高性能的无人艇，其中较为典型的为“Roboski 号”喷水推进无人艇，该无人艇具有自主防御的功能，可以搭载多种特种传感器，可执行机密任务。通过将这些高性能无人艇进行编队和协同控制，美军在沿海组建了具有战斗力的无人艇分队[12]。同一时期，美国 PEOLMW 计划执行办公室主导研发了半自动化的无人艇，该无人艇设计航速高，续航时间长，且通过模块化设计，可以进行功能选择和更换。艇上常用搭载有 ARPA 雷达、高清图像采集器、声音采集器、水深仪以及各种温度红外风速测量器等[13]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.82

【参考文献】