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基于ROS--Web交互的无人船定位导航系统设计与实现
| 论文题名： | 基于ROS--Web交互的无人船定位导航系统设计与实现 |
| 关键词： | 无人船;机器人操作系统;多传感器;定位导航系统;运动控制 |
| 摘要： | 无人船(UnmannedSurfaceVehicle，USV)具有降低运载系统风险的潜力，被广泛用于民用和军用的各种领域，如:军事侦察、海上巡逻、水深测量、环境监测和海洋学研究等。随着计算、传感和驱动系统的进步，很多水面作业的任务可以由无人船精确完成，因此成为世界各地科研者致力研究的热门领域。 无人船目前正面临着智能作业、控制稳定性和开发成本等技术挑战，而精确的定位导航是无人船执行各种任务的关键条件，传统的无人船系统难以满足复杂水域环境下实时精确行为控制策略，这给无人船应用的开发带来了巨大挑战。本文以自主研发的无人船为研究对象，针对内陆水面环境定位导航的研究，设计了基于ROS-Web交互的无人船定位导航系统，该系统具有可自由更换各部分功能模块、交互模式易于后期拓展等优点，并且能够在定位导航算法下实现精准的定点巡航。 为了验证系统的可靠性，本文根据需求搭建了无人船系统平台。在进行船载运动控制系统设计时，以STM32开发板和树莓派为核心的框架作为硬件平台，以机器人操作系统（RobotOperatingSystem，ROS）作为框架搭建软件平台，以电机驱动板和双推进电机驱动船体航行，采用PID电机调速算法对无人船速度和航向进行控制，使用多传感器实现数据的采集处理，根据运动状态的实时检测做出一定的反应。设计完成后对系统进行了测试，确保了实验平台的航行稳定性。 定位导航方面，为了解决船用里程计信息不准、计程仪适用性不足等问题，利用状态误差卡尔曼滤波算法将惯性传感器(InertialMeasurementUnit，IMU)和卫星定位的数据融合实现无人船的绝对定位，以ROS的可视化工具以及Web页面作为显示与控制界面，提出利用卫星地图匹配算法建立无人船的导航地图，然后利用最短航迹控制的导引法路径规划和避障策略，在无需建立栅格地图的条件下发挥了路径规划算法的优势，从而实现无人船在实时交互下的自主导航。 最后，本文在静水河流利用搭建的无人船平台进行现场实验，将所设计的定位导航算法应用到研究对象上，在无人船航迹控制满足稳定性需求的条件下，进行了障碍物下的定点巡航实验，并对数据进行处理分析，验证了该系统在可用性和稳定性方面的性能，实验结果表明所设计的无人船定位导航系统具有一定的实际应用意义。 |
| 作者： | 吴应为 |
| 专业： | 电子与通信工程 |
| 导师： | 王秋滢;王水根 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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