搜救无人艇航速及航向控制研究

发布时间：2020-08-03 16:55

【摘要】：随着我国海上经济活动的日益繁荣,海难事故发生频次也逐年上升,然而目前针对我国海上救援体系单一问题仍有待解决。水面无人艇作为未来海上搜救的主力装备之一,以其机动灵活、救援代价小和安全可靠的优势必能广泛应用并发挥巨大作用。但海上救援环境恶劣,对搜救无人艇 SRUSV(Search and Rescue Unmanned Surface Vehicles)的运动控制性能要求较高。尤其无人艇的航向航速控制是基础也是核心技术,必须具备较强的自适应能力来保证搜救任务成功完成。本论文针对SRUSV实验样机在不同航速与抛筒状态下辨识出其操纵指数K、T并确定其运动控制数学模型;根据SRUSV的航向误差及其变化率成功设计智能自整定PD航向控制器和模糊PI航速控制器,在此基础上,提出了基于航速抛筒变化与航向角速度闭环的综合航向控制算法。全文共分六章,内容概括如下:第一章,介绍了论文研究背景,通过分析海上搜救环境与目前搜救体系存在的问题,提出了基于抛射救生缆和释放浮筒的水面无人艇的搜救方案,并分析常规无人艇航向航速控制算法,阐述本论文的研究意义与研究主要内容。第二章,首先介绍了 SRUSV及其岸基监控系统的构成,然后从硬件和软件构架上介绍了无人艇运动控制系统的组成并阐述相关参数指标;此外,针对螺旋桨推进无人艇的运动特性,采用整体法建立了 Abkowitz模型并将其线性化。第三章,在SRUSV运动数学模型基础上,应用Lyapunov稳定性理论证明了 SRUSV具航向稳定性并求出其受干扰后的航向误差;然后通过系统辨识得到不同航速和抛筒状态下的操纵指数K、T,并将辨识得到的运动控制模型进行验证。第四章,介绍了多种自整定PID控制原理,并设计出了三种PD航向控制器和两种PI航速控制器,通过仿真与实验验证,最终确定了智能自整定PD航向控制器和模糊PI航速控制器满足SRUSV的运动控制需求。第五章,针对第四章航向控制器存在的不足,提出了基于航速与抛筒状态变化的自整定PD控制器和基于角速度闭环的自整定PID控制器,结合两者的控制优势,融合出一种综合航向控制器,并通过高速仿真与实验验证了该方法的有效性。第六章,总结并归纳了本论文研究的主要内容,在指出创新点的同时也针对该论文存在的不足提出了改进方法。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.82
【图文】：

斯巴达,侦察兵,实物

无人系统［８＿９］。逡逑美国研制的“斯巴达侦察兵”号水面无人艇（ＳｐａｒｔａｎＳｃｏｕｔＵＳＶ）是一款功能相对较逡逑为完备的无人艇，其已经基本具备自主航行功能，如图１．１所示。其装备在美国海军舰艇逡逑上，主要是加强美国海军在战场中的预警能力，通过远距离侦察和监视保护海军舰队［１Ｑ］。逡逑“保护者”号无人艇为以色列拉斐尔军火研究局和航空防御系统公司联合研制的一款逡逑较为典型的无人艇，如图１．２所示。“保护者”号无人艇在军用领域和民用领域都可以执行逡逑任务，其设计采取了模块化的设计思想，将执行不同任务所需的硬件模块化，在执行具体逡逑任务时可以根据任务的需求灵活地组装所需的功能模块。此外，“保护者”号无人艇的外逡逑壳材料采用了碳纤维复合材料和玻璃钢复合材料，这一举措不仅提高了该无人艇的抗震能逡逑力，还降低了艇体自身重量，增强了艇体的机动性与灵活性［１１］。逡逑Ｈｉ逡逑＼ｍ逡逑图１．邋１邋“斯巴达侦察兵”无人艇实物图逦图１．２邋“保护者”无人艇实物图逡逑考虑到无人艇在保障国家安全以及气象监测、紧急救援、水文观测等民用领域具有重逡逑要的战略意义［１２］，我国也正快速发展无人艇技术，但技术与美、德、英等西方国家相比仍逡逑然存在不小的差距。目前

天象,实物,测量艇

航向与图像处理等多项国际前沿技术。逡逑２０１３年，由上海大学等单位联合成功研制出我国首艘水面无人测量艇“精海号”邋［１５］，逡逑该艇实现手动操控和自主航行双模切换功能，如图１．４所示。它还具备路径规划与自主避逡逑障避碰、远距离自主航行等多项功能；其可在２０ｋｍ距离内超视距控制，采用单、多波束逡逑声呐测深，前视多波束声呐、侧扫声呐探测，多普勒流速流向测量等海洋多要素综合测量逡逑功能，是一艘性能出色的测量艇。逡逑．逦煖：逡逑图１．３邋“天象一号”无人艇实物图逦图１．４邋“精海号”无人艇实物图逡逑现将国外先进无人艇性能参数总结如下表１．１所示［１６］。逡逑表１．１各国先进无人艇参数逡逑艇名逦制造国制造／试验￣续航能力（小￣最大航速逦Ｍ逡逑逦时间邋（ｍ）逦时／节／）逦（＾）逦逡逑斯巴达侦察兵逦美国逦２００２逦７／１１逦８ｈ／２８ｋｎ逦５０逦情报、舰队保护逡逑幽灵卫视逦美国逦２００３．９逦８逦２４ｈ逦４０逦警戒、防卫逡逑水虎鱼逦美国逦２００３．３逦８逦２４ｈ

水上,实物,救生筏,海上救助

珠海云州智能科技公司推出一款专用于海上救助无人艇Ｍ７５［１９］，其海况适应性达到４逡逑级，具备自主航行及自动避障功能以及智能控制终端与实时远程通讯功能，长约５ｍ，最逡逑高航速３０节，采用拖曳救生筏救助方案，其可托载救生筏载员６人，如图１．５所示。逡逑天海防务为交通部北海救１１１船配备ＴＨ４５型无人艇母船可以支持其在附近海域逡逑作业，实现海上救助母船支持系统与无人艇协作快速搜救目标，如图１．６所示。逡逑图１．５邋Ｍ７５水上救助无人艇实物图逦图１．６邋１１１船与ＴＨ４５型救助无人艇实物图逡逑２０１８年４月２３日，受恶劣天气的影响，东海辖区发生多起海上事故，在“东海救１０２”逡逑轮与“东海救２０４”轮的默契配合下，通过释放救助艇，成功解救散货船“鹏安”轮上遇逡逑险船员［２１］。逡逑５逡逑

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