无人船试验平台设计与实现

发布时间：2020-05-20 04:11

【摘要】：近年来,随着国家海洋战略的推进,对多功能、智能化的无人船需求愈加强烈。各研究机构及企业也逐渐开始重视对无人船的研究。然而,目前虽然在理论研究上,我国已经与国外差距不大,但是在应用的深度和广度上还有较大的差距。因此,开展对无人船实物的研究,既有助于验证当前的理论成果,也有利于加速应用化转型。针对这一需求,本文设计并实现了一个无人船试验平台,并利用该平台对船舶的路径规划算法、动力定位系统做了研究。现将本文的主要工作描述如下。(一)、搭建了一个高可用,扩展性强,功能齐全的无人船试验平台。本文对平台应具备的功能做了详细分析,并从架构层面给出了软硬件实现方法。我们的平台包括了欠驱动和全驱动两个类型的无人船,针对两种船不同的特性和应用场合,我们做了特殊化的设计。为了降低开发量,提高系统可维护性,我们实现了异构下位机的情况下上位机的复用。(二)、实现了并行的快速扫描法,并将其用于平台的路径规划。本文从收敛性和算法效率方面,对比了快速行进法和快速扫描法在路径规划上的应用。确定选择快速扫描法作为基本算法实现平台的路径规划功能。在此基础上,引入平方快速扫描法解决了路径距离障碍物过近的问题,并考虑欠驱动船舶的操纵性限制获取更为可行的路径。针对全局最优路径规划运算量大的问题,我们继续深挖快速扫描法的潜力,发现可以通过改变遍历方式赋予其并行性。我们提出了一种新的遍历方法,并基于这个方法实现了并行快速扫描法,充分利用现代计算机多核的优势,极大地提升了路径规划的实时性。(三)、为欠驱动无人船设计了自动化的Z形试验,相对于传统的人工进行的Z形试验,具有转艏及时、精度高、工作稳定、可复现的特点。经过湖试,证明了该功能的效果,并且利用试验数据得到了该船的一阶Nomoto模型。(四)、为全驱动无人船上实现了动力定位功能,该功能包含了滤波、控制和推力分配三个核心算法。我们采用无迹卡尔曼滤波实现了对高频运动和噪声的分离以及对速度的估计,然后基于该船的船体和动力特点设计了控制算法和推力分配算法,最后通过湖试说明了动力定位的效果,也综合测试了整个平台软硬件的可靠性和算法的可行性。
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信号流

图 1 1 GNC 信号流Fig 1 1 GNC signal flow希望设计实现一个低成本的试验平台，为一些理论研究提供实物验证，促进研和实用化。国内外研究现状无人船的历史最早可追溯至第二次世界大战，其初衷是在沿海区域进行排雷或物[9]。20 世纪 50-60 年代，前苏联曾研制过小型遥控式无人水面艇，用于向敌杀式攻击[10]，此后 30 年主要作为军事演习的海上标靶，技术上也没有太大突20 世纪 90 年代，随着惯性测量单元、电罗经等传感器技术日趋成熟，各类可通信技术的出现，特别是美国的全球定位系统投入使用，使得开发功能更复杂成为可能。1993 年，美国麻省理工学院海洋学院改装了一艘长 1.37 米的小型，制作了“阿尔忒弥斯”(ARTEMIS) 号水面无人艇[11]。它以希腊神话中的狩猎，主要用于搜集波士顿市查尔斯河的地形数据。后来，又对它进行了进一步

国外大学

u-blox EVK-5H GPS 和惯性测量单元，如图 1 2(c)。在试验中，使用了 881L 单线雷达能够测量 1 至 100 米范围内的障碍物。2017 年，佛罗里达亚特兰大大学的 Armando 通过在无人船上面加装左右两个摄像头，利用开源图像处理库 OpenCV 实现了基于双目立体视觉的目标追踪[19]。使用的无人船长 4.88 米，宽 2.44 米，由两个电机驱动，最高时速 5.66 米每秒，如图 1 2(d) 所示。(a) 美国麻省理工学院的”SCOUT”(2004) (b) 美国南加州大学NAMOS项目使用的无人船(2007)
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.7

【参考文献】