基于ROS的无人水面艇运动控制系统的设计

发布时间：2017-05-21 13:13

  本文关键词：基于ROS的无人水面艇运动控制系统的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无人水面艇是指运用遥控系统或依靠自主方式在水面航行的无人化、智能化作战平台,具有智能、高速、隐身等优点,被越来越多的应用于军事和民用领域。为了更好地完善海上作战体系,无人水面艇在某些危险领域正逐步成为有人平台的替代和补充。无人水面艇具有很高的自主性和巨大的市场潜力,而且特别适合作为执行军事任务、救援设施、信息收集的平台。本文在综合当前无人水面艇所用关键技术的基础上,开展了无人水面艇运动控制系统设计工作。首先,在无人水面艇功能架构的基础上对无人水面艇总体方案进行设计,接着进行了控制系统的硬件设计,其硬件包括执行单元(主要是喷水泵、柴油机)、导航定位单元(主要依靠GPS、惯性导航、数字罗盘、多普勒计速仪等模块来实现)、主控单元(基于PC104工业计算机总线标准架构)、信息采集单元(主要指CMOS摄像头、各传感器)等。其次,在无人水面艇PMI2主板上安装了基于Linux的Ubuntu平台,其上层软件架构采用ROS操作系统,该系统具有分布式工作的特点。通过ROS提供的消息传递机制完成软件模块的集成,并对远程运动控制平台的软件部分进行了总体设计。成功实现了基于无线网络的数据发送与接收、无人艇航行状态的实时监控、远程控制、提供导航信息等功能。最后,针对本文所研究的无人水面艇模型从运动学和动力学两个方面分析了无人水面艇的力学特性,并整理出运动方程。由于无人水面艇运动时惯性很大,可以将数学模型进行简化,使用Nomoto模型作为无人水面艇航向控制器的数学模型;由于本文使用喷水推进装置,根据这一特点,建立了无人水面艇航速数学模型;然后根据这些数学模型,结合实际对运动控制的研究,采用传统PID和模糊PID两种控制器设计无人水面艇航速和航向的控制律,通过Matlab对控制律进行仿真,还对其仿真结果进行分析和比较,分析结果表明模糊PID控制比传统PID控制更具优越性。
【关键词】：无人水面艇 PC104 ROS操作系统 Nomoto模型 Matlab仿真
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.70
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 课题研究的背景和意义13
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势13-17
• 1.2.1 美国无人艇的研究进展14-15
• 1.2.2 以色列无人艇的研究进展15-16
• 1.2.3 我国目前的研究现状16-17
• 1.3 课题主要研究内容与结构17-19
• 第2章 无人艇总体平台介绍19-27
• 2.1 无人艇总体功能方案19-20
• 2.2 无人艇艇体的结构设计20-22
• 2.3 无人艇控制结构设计22-24
• 2.3.1 无人艇运动控制体系结构22-23
• 2.3.2 无人艇通讯体系结构23-24
• 2.4 无人艇各功能单元设计方案24-26
• 2.4.1 推进系统与执行单元24
• 2.4.2 导航定位单元24-25
• 2.4.3 主控计算机单元25
• 2.4.4 数据采集单元25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 无人艇运动控制系统硬件架构27-37
• 3.1 无人艇的推进系统与执行单元27-28
• 3.2 无人艇导航定位单元28-32
• 3.3 无人艇主控计算机单元32-34
• 3.4 视觉反馈单元34-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第4章 无人艇运动控制系统软件架构37-53
• 4.1 ROS的基本概念和主要特点37-39
• 4.2 基于ROS的无人艇软件系统39-41
• 4.2.1 运动控制软件系统39-41
• 4.3 软件系统的设计实现41-52
• 4.3.1 串口操作41-42
• 4.3.2 GPS接收节点42-46
• 4.3.3 图像数据采集与传输节点46-50
• 4.3.4 远程控制及信息交互节点50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 无人艇数学模型的研究及其仿真53-67
• 5.1 无人艇运动数学模型的选择53
• 5.2 无人艇空间坐标系53-55
• 5.2.1 坐标系的建立及坐标间的转换53-54
• 5.2.2 坐标系间的转换54-55
• 5.3 喷水推进无人艇航向控制的数学模型55-58
• 5.4 喷水推进无人艇航速控制的数学模型58-59
• 5.4.1 喷水推进力58
• 5.4.2 无人艇阻力特性58-59
• 5.4.3 无人艇航速的数学模型59
• 5.5 仿真技术59-60
• 5.5.1 传统PID控制技术59-60
• 5.5.2 模糊PID控制技术60
• 5.6 无人艇航向控制器设计60-65
• 5.6.1 Nomoto模型计算60-62
• 5.6.2 无人艇航向PID控制器设计62-65
• 5.7 无人艇航速控制器设计65-66
• 5.8 本章小结66-67
• 总结与展望67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 胡春旭;熊枭;任慰;何顶新;;基于嵌入式系统的室内移动机器人定位与导航[J];华中科技大学学报(自然科学版);2013年S1期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 甘永;水下机器人运动控制系统体系结构的研究[D];哈尔滨工程大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李灿;智能移动机器人导航策略研究与实现[D];浙江工业大学;2013年

  本文关键词：基于ROS的无人水面艇运动控制系统的设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：383754