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无人船多模控制系统及自主巡航方法研究
| 论文题名： | 无人船多模控制系统及自主巡航方法研究 |
| 关键词： | 无人船;多模控制系统;自主巡航;运动建模;溜边模式 |
| 摘要： | 水生态保护逐渐成为无人船的一大新型应用场景，然而当被投放在城市内陆河道时，现有无人船的作业效率往往欠佳。一方面，无人船控制系统的容错性和独立性不足常常导致船舶发生故障;另一方面，保洁无人船所使用的自主巡航方法还无法真正满足全水域范围内清洁作业的要求。 本文旨在研制一套稳定、可靠且容错性高的无人船多模控制系统，并提出一种适用于保洁船的融合自主巡航作业方法，包括GPS轨迹点跟踪和溜边两种模式，最后在搭载有多模控制系统的无人船实验平台上对这两种模式进行巡航测试，探究其可行性以及对水面保洁效率性能的影响。具体研究工作如下: (1)利用冗余互备份的原理设计多模控制系统总体硬件架构，然后按照各个子系统的功能需求选择船载设备、设计底层控制主板，最后基于控制权限互斥设计多模操作物理隔离电路。控制系统采用双路通信链路和双操作系统以最大程度确保无人船的容错性，隔离电路保证遥控与电脑控制之间的权限完全独立。 (2)基于无人船工作时的通信链路方向将无人船的软件平台分为上位机和下位机两部分单独开发，并对无人船的通信协议进行设计。上位机指控制与管理系统客户端，主要实现信息显示、远程操控、自主巡航、监控等功能;下位机主要包括工控机和底层控制主板，实现通信、导航避障和运动控制等功能。上、下位机相互配合联动实现多终端同步控制。 (3)从运动学和动力学两个尺度对无人船进行运动建模，结合船体参数对模型中的未知变量进行求解，最后开展回转仿真实验和真实船舶回转实验。仿真与实船实验的相对回转半径误差在误差允许范围以内，验证了本文推导的数学模型与无人船实验平台之间的匹配度。 (4)基于LQR控制器实现无人船GPS轨迹点跟踪巡航模式，并针对城市内陆河道提出一种基于激光雷达的溜边巡航方法，使得无人船可保持与岸边固定距离行驶。自主巡航实验结果表明LQR控制器在短距离、低速航行时具有不错的跟踪效果，溜边模式时无人船也能自动调整与堤岸距离航行。水面清洁对比实验结果表明，当采用本文提出的方法进行巡航作业时，其效率比人工和传统巡航方法作业要高。 |
| 作者： | 肖世龙 |
| 专业： | 检测技术与自动化装置 |
| 导师： | 李民强;余道洋 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国科学技术大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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