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基于ROS半实物仿真的无人艇自主航行控制器快速开发方法
| 论文题名： | 基于ROS半实物仿真的无人艇自主航行控制器快速开发方法 |
| 关键词： | 无人艇;自主航行控制器;风浪流扰动;半实物仿真 |
| 摘要： | 随着人们对于海洋资源需求的增大，无人艇日益成为国内外的研究热点，无人艇控制系统的各种理论研究正在逐步走向应用。然而，从理论到应用的过程面临无人艇软硬件平台搭建难度高、仿真测试保真度低、实际试验开展困难等问题，教学科研领域缺少可靠、通用的无人艇开发与验证平台，许多控制领域研究成果在无人艇上的应用推进缓慢。 为了解决无人艇控制系统开发过程面临的突出问题，本文研究了快速开发无人艇自主航行控制器的方法。选用Pixhawk自驾仪及其配套固件PX4作为无人艇控制器的硬件和软件系统，根据实体无人艇的运动模型和环境扰动模型搭建了基于ROS（Robot Operating System）的无人艇半实物仿真平台，提高了仿真的物理保真度和功能保真度。对PX4进行了二次开发，实现了通过Simulink模型设计无人艇控制算法，并自动生成无人艇控制器嵌入式代码，减少了控制算法实现过程的代码编写负担，加快了控制算法的实现速度。以Pixhawk自驾仪为核心搭建了实体无人艇试验平台，为无人艇控制算法验证提供航行试验载体。通过以上设计，使无人艇控制算法可以快速的部署到无人艇控制器进行仿真测试和实船试验，提高了开发效率，减少了开发阶段之间的过渡工作。本文具体研究内容如下： 首先，以Pixhawk自驾仪及其配套固件PX4为无人艇控制器的硬件和软件系统，搭建了无人艇试验平台，并通过回归公式计算、系泊试验以及操纵性试验建立其数学模型。 其次，分析无人艇所受风浪流环境扰动，根据实体无人艇的运动模型和环境扰动模型，联合Pixhawk和ROS设计了无人艇半实物仿真测试系统，实现无人艇运动控制仿真的三维可视化与硬件在环，系统具有一定的物理保真度和功能保真度。 然后，二次开发PX4固件，使用Pixhawk Pilot Support Package实现了基于Simulink设计控制算法，并自动生成无人艇控制器嵌入式代码。提出了使用Pixhawk自驾仪复用方式进行无人艇自主航行控制算法的设计、自动代码生成、半实物仿真、实船试验的无人艇自主航行控制器快速开发方法。 最后，为验证快速开发方法及开发平台的有效性，对基于视线法制导和比例积分微分控制的无人艇路径跟踪控制器进行了快速开发。开展了多环境条件下的半实物仿真和实船湖试，无扰动、低扰动、高扰动条件下的湖试平均偏差分别为0.24m、0.44m、1.15m，说明路径跟踪控制器在不同环境扰动下均能保持良好的控制效果，由此证明了本文所提无人艇自主航行控制器快速开发方法和平台的可行性，为提高无人艇控制算法开发效率和试验迭代速度发挥了积极作用。 |
| 作者： | 孙延浩 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 杨少龙;艾艳辉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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