【摘要】：近年來,隨著國家海洋戰(zhàn)略的推進,對多功能、智能化的無人船需求愈加強烈。各研究機構及企業(yè)也逐漸開始重視對無人船的研究。然而,目前雖然在理論研究上,我國已經與國外差距不大,但是在應用的深度和廣度上還有較大的差距。因此,開展對無人船實物的研究,既有助于驗證當前的理論成果,也有利于加速應用化轉型。針對這一需求,本文設計并實現(xiàn)了一個無人船試驗平臺,并利用該平臺對船舶的路徑規(guī)劃算法、動力定位系統(tǒng)做了研究�，F(xiàn)將本文的主要工作描述如下。(一)、搭建了一個高可用,擴展性強,功能齊全的無人船試驗平臺。本文對平臺應具備的功能做了詳細分析,并從架構層面給出了軟硬件實現(xiàn)方法。我們的平臺包括了欠驅動和全驅動兩個類型的無人船,針對兩種船不同的特性和應用場合,我們做了特殊化的設計。為了降低開發(fā)量,提高系統(tǒng)可維護性,我們實現(xiàn)了異構下位機的情況下上位機的復用。(二)、實現(xiàn)了并行的快速掃描法,并將其用于平臺的路徑規(guī)劃。本文從收斂性和算法效率方面,對比了快速行進法和快速掃描法在路徑規(guī)劃上的應用。確定選擇快速掃描法作為基本算法實現(xiàn)平臺的路徑規(guī)劃功能。在此基礎上,引入平方快速掃描法解決了路徑距離障礙物過近的問題,并考慮欠驅動船舶的操縱性限制獲取更為可行的路徑。針對全局最優(yōu)路徑規(guī)劃運算量大的問題,我們繼續(xù)深挖快速掃描法的潛力,發(fā)現(xiàn)可以通過改變遍歷方式賦予其并行性。我們提出了一種新的遍歷方法,并基于這個方法實現(xiàn)了并行快速掃描法,充分利用現(xiàn)代計算機多核的優(yōu)勢,極大地提升了路徑規(guī)劃的實時性。(三)、為欠驅動無人船設計了自動化的Z形試驗,相對于傳統(tǒng)的人工進行的Z形試驗,具有轉艏及時、精度高、工作穩(wěn)定、可復現(xiàn)的特點。經過湖試,證明了該功能的效果,并且利用試驗數(shù)據(jù)得到了該船的一階Nomoto模型。(四)、為全驅動無人船上實現(xiàn)了動力定位功能,該功能包含了濾波、控制和推力分配三個核心算法。我們采用無跡卡爾曼濾波實現(xiàn)了對高頻運動和噪聲的分離以及對速度的估計,然后基于該船的船體和動力特點設計了控制算法和推力分配算法,最后通過湖試說明了動力定位的效果,也綜合測試了整個平臺軟硬件的可靠性和算法的可行性。
【圖文】：

圖 1 1 GNC 信號流Fig 1 1 GNC signal flow希望設計實現(xiàn)一個低成本的試驗平臺，為一些理論研究提供實物驗證，促進研和實用化。 國內外研究現(xiàn)狀無人船的歷史最早可追溯至第二次世界大戰(zhàn)，其初衷是在沿海區(qū)域進行排雷或物[9]。20 世紀 50-60 年代，前蘇聯(lián)曾研制過小型遙控式無人水面艇，用于向敵殺式攻擊[10]，此后 30 年主要作為軍事演習的海上標靶，技術上也沒有太大突20 世紀 90 年代，隨著慣性測量單元、電羅經等傳感器技術日趨成熟，各類可通信技術的出現(xiàn)，特別是美國的全球定位系統(tǒng)投入使用，使得開發(fā)功能更復雜成為可能。1993 年，美國麻省理工學院海洋學院改裝了一艘長 1.37 米的小型，制作了“阿爾忒彌斯”(ARTEMIS) 號水面無人艇[11]。它以希臘神話中的狩獵，主要用于搜集波士頓市查爾斯河的地形數(shù)據(jù)。后來，又對它進行了進一步

u-blox EVK-5H GPS 和慣性測量單元，如圖 1 2(c)。在試驗中，使用了 881L 單線雷達能夠測量 1 至 100 米范圍內的障礙物。2017 年，佛羅里達亞特蘭大大學的 Armando 通過在無人船上面加裝左右兩個攝像頭，利用開源圖像處理庫 OpenCV 實現(xiàn)了基于雙目立體視覺的目標追蹤[19]。使用的無人船長 4.88 米，寬 2.44 米，由兩個電機驅動，最高時速 5.66 米每秒，如圖 1 2(d) 所示。(a) 美國麻省理工學院的”SCOUT”(2004) (b) 美國南加州大學NAMOS項目使用的無人船(2007)
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U661.7

【參考文獻】

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本文編號：2672026