面向监测与探测应用的水面自主航行器设计

发布时间：2017-09-20 02:10

  本文关键词：面向监测与探测应用的水面自主航行器设计

  更多相关文章： 水面自主航行器 北斗导航 双动力 微波雷达 路径规划

【摘要】：水面自主航行器(Autonomous Surface Vehicle,ASV)具有无人化、小型化和智能化的优点,在水质监测、污染源跟踪、水下目标探测等领域具有广阔的应用前景,因此已经成为学术界和工程技术界的研究热点。目前,市场上的水面自主航行器多采用GPS单点定位,定位精度不高,而且以遥控工作方式为主,自主航行功能不够完善。本课题研制了一种面向水质监测和目标探测的水面自主航行器,采用北斗RTK定位技术,显著提高了定位精度,同时设计了航行器控制算法和路径规划方法,有效提高了航行器的智能性和自主航行性能。本文研究的主要内容及创新之处如下：(1)研制了高性能的水面自主航行器。①采用北斗Ⅱ载波相位差分测量技术,定位精度1-2厘米,测向精度0.2～0.3度,从而为自主航行奠定了坚实的基础；②采用双动力系统,即水下螺旋桨和水上风轮,保证了动力稳定。螺旋桨作为主动力,风轮作为辅助动力。这不仅提高了最大航行速度,而且在主动力失效(搁浅和机械故障)的情况下,通过辅助动力保证航行器正常航行；③在视频避障的基础上,增加了微波雷达探测功能,不仅可以探测到障碍物,而且可以检测障碍物的距离和速度,从而使航行器具有更强大的避障功能；④采用超短波通信和北斗报文通信相结合的双通道通信方式。在超短波通信范围以外,以北斗短报文通信方式继续控制航行器,可以避免航行器失联。(2)提出了一种维诺图构造的水面自主航行器路径规划方法(发明专利已公布)。将本课题设计的自主航行器作为移动基站应用于水面无线传感器网络的数据收集,提出了维诺图构造的水面移动基站路径规划方法。该方法首先基于维诺图理论生成候选路径集合,然后以同心圆方式由外而内形成优化路径。该路径不仅可以保证移动基站收集到所有传感器节点的数据,而且可以节约网络通信能耗。
【关键词】：水面自主航行器 北斗导航 双动力 微波雷达 路径规划
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 引言15
• 1.2 水质监测系统研究现状15-19
• 1.3 水面自主航行器研究现状19-20
• 1.3.1 水面自主航行器国内外研究现状19-20
• 1.3.2 水面自主航行器功能、技术的局限性20
• 1.4 论文主要工作20-23
• 1.4.1 课题来源21
• 1.4.2 课题目的21
• 1.4.3 课题意义21-22
• 1.4.4 论文章节安排22-23
• 第二章 航行器系统设计23-55
• 2.1 总体设计方案23-24
• 2.2 航行器系统硬件设计24-33
• 2.2.1 处理器模块24-25
• 2.2.2 传感器模块25-26
• 2.2.3 动力驱动模块26-27
• 2.2.4 北斗定位模块27-28
• 2.2.5 无线通信模块28
• 2.2.6 射频通信模块28-29
• 2.2.7 视频采集模块29
• 2.2.8 雷达测距模块29-31
• 2.2.9 水下声学检测模块31-33
• 2.2.10 电源模块33
• 2.3 嵌入式系统软件设计33-41
• 2.3.1 传感器数据的采集34-35
• 2.3.2 RTK定位数据的获取35-37
• 2.3.3 传感器数据以及北斗定位数据的传输37-39
• 2.3.4 动力驱动39-40
• 2.3.5 微波雷达测距40-41
• 2.4 航行器控制算法设计41-49
• 2.4.1 PID算法简介41-43
• 2.4.2 数字PID控制算法43-44
• 2.4.3 改进型增量PID算法44-45
• 2.4.4 航行器自主航行45-49
• 2.5 航行器远程监测中心设计49-54
• 2.5.1 相关数据显示49-50
• 2.5.2 遥操作50-51
• 2.5.3 Google Earth定位结果可视化51-54
• 2.6 本章小结54-55
• 第三章 维诺图构造的水面移动基站路径规划方法55-65
• 3.1 问题描述55-57
• 3.2 维诺图理论生成候选子路径集合57
• 3.3 以同心曲线的方式形成优化路径57-62
• 3.4 流程图描述62
• 3.5 实验62-64
• 3.6 本章小结64-65
• 第四章 系统测试与实际应用65-72
• 4.1 系统测试65-68
• 4.1.1 传感器功能测试65-66
• 4.1.2 RTK定位结果精度测试66
• 4.1.3 无线通信模块测试66
• 4.1.4 遥操作测试66-67
• 4.1.5 雷达测距测试67
• 4.1.6 自主航行测试67-68
• 4.2 实际应用68-71
• 4.3 本章小结71-72
• 第五章 总结与展望72-74
• 5.1 全文总结72
• 5.2 未来工作展望72-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况79

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本文编号：885270