水面无人艇的航迹控制系统研究与实现.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TP13密级：公开UDC：629.5学号：152673水面无人艇的航迹控制系统研究与实现研究生姓名：毕校伟导师姓名：程向红申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称仪器科学与技术论文答辩日期2018年5月29日二级学科名称学位授予日期20年月日答辩委员会主席陈熙源评阅人盲审2018年6月4日硕士学位论文水面无人艇的航迹控制系统研究与实现专业名称：仪器科学与技术研究生姓名：毕校伟导师姓名：程向红RESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFPATHTRACKINGSYSTEMFORUNMANNEDSURFACEVESSELSADissert

2、ationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYBiXiao-weiSupervisedbyProf.ChengXiang-hongSchoolofInstrumentScience&EngineeringSoutheastUniversity,Nanjing,P.R.ChinaJune2018东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研

3、究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文

4、的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。　研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要水面无人艇（UnmannedSurfaceVessel，USV），是一种能够自主航行、控制，并完成任务的水面舰艇。USV相对于传统的舰艇，具有体积小、无人驾驶、反应迅速、隐蔽性好，且续航能力较强等特性，因此广泛应用于自然灾害的监测与救助，争议海域的水文监测，海洋资源的探测，以及无人作战平台的构建等。水面无人艇的核心技术在于其自主性，主要体现在两个方面：一方面具有自主的规划能力，能够根据任务和运行环境规划出一条合理的行进路线，并且能够根据危险和障碍动态调整路线；另一方面就是能够实现航迹控制，

5、使USV能够跟踪自主规划的航迹。本文以水面无人艇航迹控制系统的设计与实现为目标，对水面无人艇建模方法、航迹控制算法、硬件平台设计与实现等内容进行了研究。具体研究内容如下：1.研究了水面无人艇建模方法。在分析水面无人艇受到的重力、浮力、水动力和推进器推力的基础上，根据刚体动量定理和动量矩定理，建立了水面无人艇动力学模型。根据实际运行情况，对模型进行了合理简化，建立了二阶线性K-T方程。2.针对水面无人艇的航迹控制问题，采用间接式航迹控制结构，提出了一种基于视线导向法（LineOfSightGuidance，LOS）和PID航向控制器的航迹跟踪控制方法。针对PID航向控制器的参数确定问题

6、，采用离线整定初始值和在线动态调整的方式。离线整定的初始值使得控制器快速进入较优的控制状态，在线动态调整使得控制器能够适应建模误差、模型非线性和动态干扰。采用多种群遗传算法（MultiPopulationGeneticAlgorithm，MPGA）离线整定PID参数，该方法克服了传统遗传算法容易陷入局部最优的问题，增强了算法的全局寻优能力。采用模糊方法实现对PID控制参数的动态调整，模糊方法以水面无人艇的航向差及变化率作为输入，根据模糊规则调整PID控制参数，增强了控制器的适应能力。对模糊自适应PID方法存在的过度调整问题，采取根据误差及其变化率终止动态调整的改进措施，提高了控制器的

7、连续跟踪能力。3.完成了水面无人艇航迹控制系统硬件和软件的设计与实现。主要完成了核心板的电路设计和软件编程，包括：电源模块，用于整个系统的电源供给和管理；D/A模块，用于推进器的控制；串口通信，用于实现对传感器和通信设备的数据交互；串口扩展，用于解决F28335芯片串口通信资源不足的问题；SD卡存储，用于实现对运行关键数据的存储。在核心板的基础上，对水面无人艇和上位机的整体程序结构进行了设计和实现。4.对设计的航迹控制算法进行了仿真验证，对设计的硬件电路和