【摘要】：航行交通設(shè)備的無人自主化已經(jīng)成為了當(dāng)今社會發(fā)展的趨勢和主流。從機(jī)器人、無人機(jī)、無人車到無人船、無人艇,都在大量的接收著社會的資金,技術(shù)和人才,快速的發(fā)展著。其中水面無人艇作為水面航行設(shè)備中體型較小,功能豐富的設(shè)備之一,也成為了控制界研究的熱門對象。然而,由于水面環(huán)境相對于陸地和天空,更加的復(fù)雜,干擾更大。且水面無人艇大多是欠驅(qū)動的,由一個推進(jìn)器和一個舵控制無人艇三個自由度的運動,這極大的提高了控制的難度,使水面無人艇的自主性相對于其他無人設(shè)備落后了一截。同時,由于傳感器和圖像識別上的短板,自主設(shè)備對復(fù)雜情況下的避障處理的效果不是很好。所以本文針對上述問題,獨立自主的設(shè)計實現(xiàn)了一艘遙自主水面無人艇的控制系統(tǒng),包括硬件平臺,控制軟件以及多種控制器,提出了水面無人艇遙自主控制算法,通過設(shè)計的仿真和實船實驗,驗證了遙自主水面無人艇控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。本文首先建立了地球固定坐標(biāo)系和船舶隨動坐標(biāo)系,來描述無人艇在水平面的運動,進(jìn)一步介紹了國際通用的水面船舶狀態(tài)和參數(shù)的名稱以及符號。然后通過分析水面無人艇的水動力特性和運動特性,在三自由度水面無人艇運動模型的基礎(chǔ)上,分析推導(dǎo)出了水面無人艇操縱響應(yīng)方程:Nomoto模型。接著介紹了LMI(Linear Matrix Inequality)的背景和原理。在{SF}坐標(biāo)系下,建立了水面無人艇航跡跟蹤問題的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計了基于LMI約束的預(yù)測控制航跡跟蹤控制器。又介紹了碰撞錐理論,并建立了基于碰撞錐理論的水面無人艇避障模型,設(shè)計了基于LMI約束的碰撞錐避障控制器。同時,還設(shè)計進(jìn)行了了針對本文的遙自主水面無人艇參數(shù)的MATLAB仿真實驗。然后又詳細(xì)闡述了遙自主水面無人艇的軟硬件設(shè)計原理及思路,包括硬件部分的無人艇艇身、無人艇推進(jìn)機(jī)構(gòu)、無人艇轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、無人艇電控系統(tǒng)以及軟件部分的運動控制軟件界面、通訊模塊、文件管理模塊、事件模塊以及LMI算法實現(xiàn)模塊。最后進(jìn)行了實船實驗,利用了Gauss-Kruger投影解決GPS的坐標(biāo)變換問題,又解決了實船實驗時遇到的傳感器參數(shù)跳變和舵角不準(zhǔn)確的問題。進(jìn)行了KT實驗,來辨識水面無人艇操控性模型中的未知量。介紹了實船實驗環(huán)境和步驟,并分析了實船實驗結(jié)果,驗證了遙自主水面無人艇控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性,且發(fā)現(xiàn)了本文研究仍存在的一些不足。
【圖文】：

又稱為 Unmanned Surface Vehicle(USV)，一般泛指各種無人在艇艦艇，近年來受到世界各國關(guān)注和研究，應(yīng)用也越來越廣泛。無人艇的應(yīng)事用途方面和民間用途兩大方面。軍用方面，無人艇可以裝備各種作戰(zhàn)設(shè)運輸載具進(jìn)行遠(yuǎn)程投放作業(yè)，，也可在基地直接近岸投放，進(jìn)行作戰(zhàn)保護(hù)、體應(yīng)用有：掃雷，清除障礙，戰(zhàn)術(shù)欺騙，戰(zhàn)斗掩護(hù)，戰(zhàn)場評估（BDA），習(xí)和標(biāo)靶等等。民用方面，無人艇可以搭載各種傳感器，數(shù)據(jù)采集設(shè)備以在目標(biāo)水域投放，實現(xiàn)各種功能作業(yè)。具體應(yīng)用有：水文監(jiān)測，水域測繪，打撈，漁業(yè)作業(yè)等等。由于無人艇通常工作在空氣和水兩種介質(zhì)的交指標(biāo)和實現(xiàn)功能同其他無人設(shè)備區(qū)別很大。在實現(xiàn)功能方面，無人艇需要無人潛器的優(yōu)勢，可以跨介質(zhì)實現(xiàn)空氣和水下的各種功能。在技術(shù)指標(biāo)無人機(jī)有著更加長的續(xù)航時間，有效載荷更大并且可以搭載水下傳感器；程、自主性方面則稍遜一籌。而對比于水下潛器，無人艇則有更長的續(xù)航時大，速度更快，載荷大，航程長，并且能部署水上多種傳感器，且通信質(zhì)，可無線化；但在隱身方面，無人艇不及水下潛器，且深層水下傳感器也

從表中可以看到，在無人艇研究制造方面，美國占據(jù)著絕對的優(yōu)勢。美國作為世界軍事實力最強(qiáng)的國家，其海軍實力也是世界最強(qiáng)的。美國海軍一直大量投資發(fā)展無人艇技術(shù)，將先進(jìn)的無人艇配備給海軍的各個兵種，去執(zhí)行多種作戰(zhàn)任務(wù)。美國的無人艇軍用可以追溯到二戰(zhàn)時期，當(dāng)時美軍通過遙控配備了機(jī)槍和火炮的無人艇來遠(yuǎn)程攻擊敵軍。1946 年美國進(jìn)行了代號為“十字路行動”的核爆炸試驗，并用無人艇取樣了試驗區(qū)域的水源，研究核爆后水源的放射性情況[9]。在 1960 左右的對越戰(zhàn)爭中，美軍遙控 USV 進(jìn)行遠(yuǎn)程掃雷的作戰(zhàn)任務(wù)[10]。之后，美軍建立了反水雷艦艇系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計為母船子船合作排雷的方式，其中的子船就廣泛的使用了無人艇[11]。到了 1990 年前后，美軍開始研發(fā)更高性能的無人艇，其中較為典型的為“Roboski 號”噴水推進(jìn)無人艇，該無人艇具有自主防御的功能，可以搭載多種特種傳感器，可執(zhí)行機(jī)密任務(wù)。通過將這些高性能無人艇進(jìn)行編隊和協(xié)同控制，美軍在沿海組建了具有戰(zhàn)斗力的無人艇分隊[12]。同一時期，美國 PEOLMW 計劃執(zhí)行辦公室主導(dǎo)研發(fā)了半自動化的無人艇，該無人艇設(shè)計航速高，續(xù)航時間長，且通過模塊化設(shè)計，可以進(jìn)行功能選擇和更換。艇上常用搭載有 ARPA 雷達(dá)、高清圖像采集器、聲音采集器、水深儀以及各種溫度紅外風(fēng)速測量器等[13]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.82

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2667739