基于ROS的无人帆船自主航行控制系统设计与实现

发布时间：2021-02-17 02:42

　　无人帆船因为采用风能作为动力来源,相较于其它水面自主航行器来说具有续航时间长、绿色环保无污染、可靠性强、人力成本低等优势,因而近些年来成为无人自主水面航行器研究中的焦点。基于此,本文结合ROS机器人操作系统,设计并开发了一套基于ROS的无人帆船控制系统。该系统实现了无人帆船自主航行以及利用上位机监控无人帆船航行数据并发送控制指令的功能。首先,根据无人帆船的操纵原理,本文完成了无人帆船的系统结构设计,确定了无人帆船的系统构成。其组成包括传感器系统、导航算法系统、通信系统、舵控制器、帆控制器、执行机构、上位机系统。其次,完成了系统的硬件设计及搭建。确定了传感器的种类及型号,釆用树莓派3B+作为主控器,Arduino UNO R3作为副控制器,帆和舵的控制分别由舵机以及收索机完成。主控制器的作用是采集传感器数据并规划航线、利用控制算法生成舵和帆的控制指令并完成与上位机的通信。副控制器的作用是采集数据并驱动舵机和收索机、接收遥控器信号并切换航行模式。然后,在树莓派3B+中安装ROS并完成节点设计以及程序编写,包括获取传感器数据、实现控制算法以及导航算法、完成与上位机的双向数据通信等;在Ardu... 

【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１?ＳＢ?Ｍｅｔ号无人帆船??：?Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?ｓａｉｌｂｏａｔ?ｏｆ?ＳＢ?Ｍｅｔ??图１．２是其参加２０１８年跨大西洋挑战赛所留下的航行轨迹

?基于ＲＯＳ的无人帆船自主航行控制系统设计与实现???ＳＢ?Ｍｅｔ号帆船的船体以及主帆由复合材料制成，利用携带的太阳能电池板以及锂??电池供电，主要的传感器包括ＧＰＳ、超声波风速计、回声探测仪、气象站、波浪传感??器等，利用卫星通信回传航行数据。图１．１是ＳＢ?Ｍｅｔ号无人帆船在海上航行的画面。??图１．１?ＳＢ?Ｍｅｔ号无人帆船??：?Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?ｓａｉｌｂｏａｔ?ｏｆ?ＳＢ?Ｍｅｔ??图１．２是其参加２０１８年跨大西洋挑战赛所留下的航行轨迹。??Ｒｅｒ＜＞Ｊ？ｖｉｌｃ?—??ｆ＾ｘｏｒ?ｊｍａｎｍ?ＳＷＥＤＥＮ??％／?■?：一一??Ｌ＾ｓ：ｒｒ?＾?％?Ｒ??Ｌｉｂ：?ｉ?ｄｏ?ｖ?ｋ?Ｓ．?Ｃｏｐｅｎｈａｇｅｎ??￣?．：：：：??ｉＨｆｌＡＳｊ．?Ａｍｓｔｅｒｄａｍ?．?Ｂｅｒｌｉｎ，?Ｗ？ｉａｗ??８ｉｆＴＴ？ｎｇｈａｍ?Ｍ７＊ｈ，?ＧＥＲＭＡＮＹ??＼?＇赛，＇?心．％?．ｒ—??Ａ?５ｔｗｎｇａｒｔ？，，?．Ｖｉｃｔｉｍｓ??气：龜１??Ｓｒ?．Ｉ＇ｊｒ?：?１?．．．?ＭｏｎａｋＯ＾?＇Ｉ＊＊？??４＇?．?。＇―?祕．?一．《私；??ｒｔ，ｋＭ?〇?Ｒ?Ｔ?Ｈ?Ａ?ｒ?ｌ?Ａ?Ｔ?／?Ｃ?Ｏ?ｒ?ｌ＇?Ａ?，＼?：？：：?：?！＆２Ｔ?？〇＊，－“，?ｂ－ｔｃｈｏｏ．?？＿＊，＊＂？，？？??＾?＞?ｖ＾．?＾??图１．２?ＳＢ?Ｍｅｔ航行轨迹??Ｆｉｇ．?１．２?Ｔｈｅ?ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｏｆ?ＳＢ?Ｍｅｔ??４??

???大连海事大学专业学位硕士学位论文???２理论基础及系统方案设计??本章首先介绍无人帆船的组成以及操纵原理，通过对帆船操纵原理的探宄提出无人??帆船的系统结构方案并进行控制系统方案设计，最后对所涉及的关键技术进行详细介??绍。??２．１无人帆船组成及操纵原理??帆船航行时主要依靠舵和帆两大系统，风作用于帆产生的气动力推动帆船前进，舵??作用于水产生的水动力控制帆船转向。为了使无人帆船具有沿期望航向航行或者跟随期??望坐标点的能力，关键在于控制好帆和舵。据此无人帆船的控制可简单归纳为控制帆位??角使帆保持在合适的位置以获得最大推力、控制舵角使舵转动到相应的位置以控制无人??帆船的航向。??２．１．１无人帆船组成??通常一艘典型的帆船主要由以下几个部分组成：主帆、主桅杆、副帆、船体、稳向??板、舵、帆桁以及帆索％。??主桅杆??－■■??帆村ｆ?／?＼??厂＾向板??Ｃ?＞??图２．１无人帆船组成??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｈｅ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?ｐａｒｔｓ?ｏｆ?Ｕｎｍａｎｎｅｄ?ｓａｉｌｉｎｇ?ｂｏａｔ??７??


本文编号：3037295