水面无人艇自主跟踪系统设计.pdf

《水面无人艇自主跟踪系统设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第34卷第5期2017年10月江苏船舶JIANGSUSHIPV01．34No．50ct．2017水面无人艇自主跟踪系统设计周志杰1，徐海祥1’2(1．高性能船舶技术教育部重点实验室，湖北武汉430063；2．武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063)摘要：基于国内的研究主要集中在单艇作业的系统设计及控制算法上，为了使无人艇能够实现自主跟踪领航船，与领航船实现多艇协同作业的功能，从系统体系构架、控制流程等方面分别对控制系统进行设计。试验结果显示：设计的跟踪系统能够实现自主跟踪的功能。关键词：水面无人艇

2、；自主跟踪；系统设计；多艇作业中图分类号：U664．82文献标志码：A0引言水面无人艇是一种小型智能船舶，具有水线以上雷达反射面积小，智能化程度高，密集搭载多功能传感器等特点¨引。在不同的领域，无人艇可以用于完成不同的任务：民用方面，无人艇可用于实现海事管理、海上搜救、水文探测等功用；军用方面，水面无人艇可用于实现水面侦察、水面作战、反潜作战等功能旧1。因此，国内外学者对其高度关注，并开展系列相关研究。近年来，我国在无人艇方面的研究不断取得成果，尤其是在无人艇的路径规划、运动控制、建模与仿真等方面已有

3、较多论文发表H剖，然而这些研究主要集中在算法及策略上。虽然也有在无人艇体系搭建方面的论文发表一』，但这些体系主要是针对单艇作业而设计的系统，鲜有学者针对多艇作业设计相关系统。随着无人艇技术的发展，人们对其功能的需求也越来越高，许多任务依靠单艇很难完成，往往需要多艘艇的合作完成。目前，无人艇编队的研究同样受到高度的关注，其要求主要是编队中的跟随艇跟随领航艇航行旧j。其中领航艇可以为自主航行的无人艇，也可以为手动驾驶的非智能船舶。本文对无人艇自主跟踪的功能进行简化以方便研究，即以一艘自主航行的小型无人艇为

4、研究对象，使其实现自主跟踪一艘手动遥控船舶的功能。其基本思想为通过组建船间网络，自主跟踪的无人艇可收稿日期：20174)34)9作者简介：周志杰(1995一)，男，硕士研究生，主要从事智能船舶系统设计、多传感器融合、传感器数据处理等领域的研究；徐海祥(1975一)，男，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为海洋动力定位系统开发、智能船舶系统研发等。以从中获取遥控船每个时刻的位置点，然后以这些位置点为目标点航行，同时通过对遥控船的速度进行估计，控制航行速度以保持两船间距相对稳定。本文旨在设计一种能够实现

5、自主跟踪功能的小型水面无人艇跟踪系统。1无人艇硬件体系搭建体系结构涵盖范围较广。美国国家标准技术研究院(NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST)对体系结构的定义为：体系结构作为一种架构，包括对组成部分的标识、定义和组织，彼此之间的相互关系、设计原理、子系统的任务功能以及子系统之间的接口协议规范一J。无人艇作为一个复杂的系统工程，未来更是向着智能化、模块化和集成化发展，为了能够尽快制造出可以实际应用的无人艇，对其研究应该运用系统工程的研究方法¨m11

6、J，然而体系结构的搭建需要了解设计的体系结构的功能需求。根据自主跟踪的需求，将无人艇的体系结构分为硬件体系结构和软件体系结构，而软件体系的设计需要根据制定的控制流程，因此设计前期体系结构搭建主要集中在硬件体系结构的搭建。硬件体系结构又称物理架构，通俗地说就是为了实现某些功能必需的硬件集合。采用模块化设计，可以提高系统的开发效率，降低开发成本。根据无人艇的任务需求按照即插即用的原则设计相应的任务模块，可以实现无人艇功能模块的快速开发和调试‘12-13]。根据功能需求，可以将水面无人艇的组成硬件分为以下几

7、个模块：船体模块、动力模块、通信模块、定位模块及控制模块。(1)船体模块的设计影响的是无人艇的水动力2江苏船舶第34卷性能，船型可以根据无人艇所需要完成的功能进行选取。在跟踪系统中，船型的选取是根据母船的航速决定的，即母船为高速船时无人艇的艇型为高速艇艇型；母船为低速船时无人艇的艇型为低速艇型。由于本文被跟踪的对象为遥控高速船，故搭建的无人艇采用高速艇艇型，其模型图如图1所示。’W-～攀’爹。㈦1编队跟随艇(2)动力模块主要用于推进无人艇航行，其主要包括能源模块和推进模块。由于无人艇的容量及空间有限，

8、其能源供给不可能采用发电机等较大的供电设备，因此通常的能源模块主要由蓄电池组构成。随着绿色船舶概念的提出，许多学者将太阳能风能等自然能源引人作为无人艇的动力能源，大大增加了其续航力。推进模块的选取大多取决于对航速及操纵性的要求。由于跟踪系统对操纵性的要求与对航速的要求同等重要，因此许多无人艇的设计采用喷水推进模式，然而喷水推进成本相对较高[14

9、。为了方便研究，控制系统采用双桨双舵的推进模块，其模块罔如同2昕示㈣2编队跟随艇推进模块(3)在自主跟踪系统中