水面无人艇试验平台设计

发布时间：2017-05-02 04:12

  本文关键词：水面无人艇试验平台设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着世界各国对海洋权益的要求日益强烈,水面无人艇作为维护海洋权益的重要工具之一,世界各国正在加紧研究。国内关于水面无人艇的研究尚处于起步阶段,与西方发达国家相比存在很大差距。本文结合国内水面无人艇的研究现状,对水面无人艇试验平台进行研究,该平台可以模拟水面无人艇在海上的运动,为研究水面无人艇的一些控制算法以及观察水面无人艇的运动状态提供一个方便的可视化平台。 本文的研究目的是设计一个水面无人艇试验平台,研究工作主要有以下几点：1.研究海洋环境干扰风、浪、流的模型,研究水面无人艇的数学模型,螺旋桨特性以及艇桨运动数学模型。2.研究水面无人艇的航向控制与航迹控制。其中航向控制采用PID控制。航迹控制首先介绍了滑模控制,然后利用反步法将控制器的设计过程分解为运动学回路和动力学回路两个过程分别进行控制器设计；在运动学回路中,为实现无人艇位置跟踪误差的收敛,设计了无人艇的参考纵向速度和侧移速度；在动力学回路中利用滑模控制的方法设计实际控制输入对参考速度的跟踪控制,最后用Simulink进行模型仿真。3.用V-realm Builder2.0可视化工具构造一个水面无人艇的虚拟现实世界并利用Simulink虚拟现实工具箱将水面无人艇的仿真与虚拟现实世界相连,使无人艇能够在虚拟世界中按照研究人员的意志自由移动。4.进行实物仿真,将Simulink仿真的结果通过串口传送给PLC,由PLC控制转台的旋转,来模拟无人艇的航向控制。5.用MATLAB/GUI技术编写无人艇数学模型的计算界而,试验平台的主控制界面；整合所有功能,方便研究人员操作。
【关键词】：水面无人艇 虚拟现实 滑模控制 试验平台 GUI
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U674.91
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题背景和研究意义9
• 1.2 国内外水面无人艇的研究现状9-12
• 1.3 本文主要工作12-13
• 第2章 水面无人艇数学建模13-33
• 2.1 海洋环境建模13-18
• 2.1.1 风的模型13-16
• 2.1.2 海浪模型16-18
• 2.1.3 海流模型18
• 2.2 螺旋桨特性18-27
• 2.2.1 螺旋桨的重要参数18-19
• 2.2.2 敞水螺旋桨的推力和转矩19
• 2.2.3 螺旋桨工作特性曲线19-21
• 2.2.4 螺旋桨与水面无人艇的相互作用21-24
• 2.2.5 螺旋桨转矩特性24-27
• 2.3 水而无人艇阻力特性27-28
• 2.4 水面无人艇控制系统数学模型28-33
• 2.4.1 坐标系与运动学变量28-30
• 2.4.2 水面无人艇操纵运动方程的建立30-31
• 2.4.3 水面无人艇航向控制模型的建立31-33
• 第3章 水面无人艇航向控制33-48
• 3.1 艇桨运动模型33-40
• 3.1.1 螺旋桨四象限工作特性曲线33-34
• 3.1.2 螺旋桨特性曲线拟合34-38
• 3.1.3 推力系数和转矩系数的修正38
• 3.1.4 艇桨数学模型38-40
• 3.2 水面无人艇PID航向控制40-48
• 3.2.1 Nomoto模型计算41-43
• 3.2.2 PID控制原理43-45
• 3.2.3 PID航向控制仿真45-48
• 第4章 水面无人艇航迹控制48-59
• 4.1 航迹控制方式48-49
• 4.2 滑模变结构控制49-59
• 4.2.1 滑动模态的定义及数学描述50-51
• 4.2.2 滑模变结构控制的定义51-52
• 4.2.3 滑模控制器设计52-53
• 4.2.4 运动学回路控制器设计53-54
• 4.2.5 纵向推力滑模控制律设计54-55
• 4.2.6 转向力矩滑模控制律设计55-56
• 4.2.7 航向稳定性分析56
• 4.2.8 仿真结果56-59
• 第5章 无人艇试验平台软件开发59-69
• 5.1 MATLAB GUI简介59-61
• 5.2 仿真平台开发61
• 5.3 主控制界面61-63
• 5.4 模型计算界面63-64
• 5.5 水面无人艇虚拟现实64-68
• 5.6 实物仿真68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：340275