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遥自主水面无人艇控制系统设计与研究
| 论文题名： | 遥自主水面无人艇控制系统设计与研究 |
| 关键词： | 遥自主水面无人艇;控制系统;硬件结构;软件设计;航迹跟踪;碰撞锥理论 |
| 摘要： | 航行交通设备的无人自主化已经成为了当今社会发展的趋势和主流。从机器人、无人机、无人车到无人船、无人艇，都在大量的接收着社会的资金，技术和人才，快速的发展着。其中水面无人艇作为水面航行设备中体型较小，功能丰富的设备之一，也成为了控制界研究的热门对象。然而，由于水面环境相对于陆地和天空，更加的复杂，干扰更大。且水面无人艇大多是欠驱动的，由一个推进器和一个舵控制无人艇三个自由度的运动，这极大的提高了控制的难度，使水面无人艇的自主性相对于其他无人设备落后了一截。同时，由于传感器和图像识别上的短板，自主设备对复杂情况下的避障处理的效果不是很好。所以本文针对上述问题，独立自主的设计实现了一艘遥自主水面无人艇的控制系统，包括硬件平台，控制软件以及多种控制器，提出了水面无人艇遥自主控制算法，通过设计的仿真和实船实验，验证了遥自主水面无人艇控制系统的稳定和可靠。 本文首先建立了地球固定坐标系和船舶随动坐标系，来描述无人艇在水平面的运动，进一步介绍了国际通用的水面船舶状态和参数的名称以及符号。然后通过分析水面无人艇的水动力特性和运动特性，在三自由度水面无人艇运动模型的基础上，分析推导出了水面无人艇操纵响应方程:Nomoto模型。 接着介绍了LMI(Linear Matrix Inequality)的背景和原理。在{SF}坐标系下，建立了水面无人艇航迹跟踪问题的数学模型，设计了基于LMI约束的预测控制航迹跟踪控制器。又介绍了碰撞锥理论，并建立了基于碰撞锥理论的水面无人艇避障模型，设计了基于LMI约束的碰撞锥避障控制器。同时，还设计进行了了针对本文的遥自主水面无人艇参数的MATLAB仿真实验。 然后又详细阐述了遥自主水面无人艇的软硬件设计原理及思路，包括硬件部分的无人艇艇身、无人艇推进机构、无人艇转向机构、无人艇电控系统以及软件部分的运动控制软件界面、通讯模块、文件管理模块、事件模块以及LMI算法实现模块。 最后进行了实船实验，利用了Gauss-Kruger投影解决GPS的坐标变换问题，又解决了实船实验时遇到的传感器参数跳变和舵角不准确的问题。进行了KT实验，来辨识水面无人艇操控性模型中的未知量。介绍了实船实验环境和步骤，并分析了实船实验结果，验证了遥自主水面无人艇控制系统的稳定性和有效性，且发现了本文研究仍存在的一些不足。 |
| 作者： | 耿超 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 刘志林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2018 |
| 正文语种： | 中文 |
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