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一种新型水面无人艇操纵性及协同策略研究
| 论文题名： | 一种新型水面无人艇操纵性及协同策略研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;模型试验;操纵性;系统辨识;协同作业策略 |
| 摘要： | 21世纪，许多国家都看到了水面无人艇（USV）的巨大潜力并相继开展了对USV的研究。单一的USV平台可搭载的传感器或设备模块有限，只能完成一些简单的使命。当面对复杂、多样化的任务时，多个USV进行协同作业，不仅克服了单一USV平台在功能上的限制，而且大大提高了作业效率与范围，这在军、民领域都有很好的应用前景。近年来，我国在USV水文监测和气象探测等方面取得了一些突破性的进展，但在水面无人艇协作技术、协同作业策略、协同系统等领域几乎处于空白状态。本文提出一种含防飞溅片体的“新型”USV艇型概念，以模型试验为主，辅以理论分析与程序编译方法，对新型USV的操纵性能及其协同策略进行了研究，主要研究工作及分析如下： （1）完成了新型USV艇模的设计和制作，对推进系统和操纵系统进行了详细设计，确定了合适的主机、轴系、螺旋桨、舵叶和舵机。提出了新型USV的智能控制系统的架构。其中，上位机系统用于在岸基观测USV的位置、姿态及环境感知信息；下位机系统以可编程控制器（PAC）作为核心控制器，包含各种现代艇载设备、传感器和相应控制程序。通过反复测试，该智能控制系统可以满足试验需求。 （2）对新型USV开展了操纵运动自航模试验：主要包括惯性冲程试验、回转试验和Z形操舵试验。对试验采集到的各类数据进行了全面的分析，主要包括：航速与控制电压的关系；不同控制电压以及不同的吃水状态对冲程时间和惯性距离的影响；不同航速和吃水状态对回转直径的影响；不同控制电压及不同舵角对回转直径的影响；航速对超越角的影响；航速对转向滞后时间的影响；不同操舵角情况下艏向角随时间的变化；无因次化的回转性指数K′和应舵指数T′随时间的变化。分别阐述了遗传算法和混沌算法的原理，提出了基于混沌遗传算法的系统辨识流程，用VB.NET语言编译了一套“新型水面无人艇操纵运动系统辨识程序”，并对回转运动的试验数据进行了辨识计算，通过对比辨识结果与试验数据的相对误差，验证了该程序的可靠性。 （3）提出了多USV在协同搜索、协同路径跟踪、协同水文气象监测和其他多任务场景四个方面的协同作业策略。讨论了USV协同系统与其它多无人平台之间的协同体系，总结了多 USV协同作业系统的优势。提出一种模糊控制规则，基于VB.NET编译了自主航行控制程序，开展了三项协同作业试验的初步研究。基于VB6.0编译了“新型水面无人艇岸基终端软件”（上位机），通过协同作业试验验证了该上位机系统和下位机系统的可靠性及相应协同策略的可行性，为多USV协同作业策略的深入研究提供参考与借鉴。 |
| 作者： | 马天宇 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 杨松林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏科技大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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