小型无人艇集成控制系统设计与实验研究

针对传统无人艇控制系统集成度低、可靠性差、通信距离有限等问题和在运动控制中存在的艇身水动力系数不确定性,加上外界风浪流的干扰等非线性因素,设计开发了一种小型无人艇集成控制系统。首先详细阐述了该集成控制系统的硬件结构、软件工作模式、控制模型及运动控制算法,使用 Matlab/simulink工具箱进行速度、航向及深度的运动控制仿真实验。然后以自研的无人艇样机为实验对象进行下水实验。最终计算机仿真和实物下水试验结果表明,所设计的运动控制器不仅能实现艇上各传感器的数据采集与通信功能,下达和反馈运动控制指令的功能,也可以在一定外界干扰下跟踪运动控制中的期望目标,实现控制要求。     

小型无人艇集成控制系统设计与实验研究

针对传统无人艇控制系统集成度低、可靠性差、通信距离有限等问题和在运动控制中存在的艇身水动力系数不确定性,加上外界风浪流的干扰等非线性因素,设计开发了一种小型无人艇集成控制系统。首先详细阐述了该集成控制系统的硬件结构、软件工作模式、控制模型及运动控制算法,使用Matlab/simulink工具箱进行速度、航向及深度的运动控制仿真实验。然后以自研的无人艇样机为实验对象进行下水实验。最终计算机仿真和实物下水试验结果表明,所设计的运动控制器不仅能实现艇上各传感器的数据采集与通信功能,下达和反馈运动控制指令的功能,也可以在一定外界干扰下跟踪运动控制中的期望目标,实现控制要求。     

水面无人艇控制器设计与避碰试验

针对传统无人艇通信距离短,功能少的问题,设计一种新的无人艇航行控制器。首先在试验用的无人艇上搭载并调试好各种通信和控制设备,然后在VS2017环境中编写控制程序,使之具备实现岸站与无人艇的通信、数据采集、下达运动控制指令等功能,并在无人艇上装备航海雷达,在航行过程中不断扫描水域环境,提取附近的障碍物信息。最后进行拖曳水池试验和湖试,验证无人艇的操纵性能和所编程序的有效性。试验结果表明,利用所设计的无人艇控制器及编写的程序能实现无人艇自主航行,并采取合理的措施避让障碍物,在软件地图中可以显示无人艇的运动轨迹。     

基于Arduino开发环境的无人艇控制系统设计

针对无人艇实体硬件开发较少、设计开发周期长且控制系统造价昂贵这一现状,设计一种无人艇控制系统。系统以Arduino为集成开发环境,整体涵盖电机驱动系统、环境感知系统、运动状态监测系统和通信系统。系统以At Mega 2560单片机为主控单元,集成电机驱动模块、超声波传感器模块、GPS模块、惯性导航模块以及GPRS模块,并完成集成电路设计与集成开发板的制作。通过对主控单元进行编程,结合自动路径规划算法和自动避障算法,无人艇可以完成自主运动控制和对周围环境的智能感知,且无人艇船载设备端与网络控制端之间可以进行实时交互,具有无线网络通信功能。最终实现一种低成本、高效率的无人艇控制系统设计方案,具有实际工程应用价值。     

基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统开发与验证

本文以某型7.6 m柴油动力小艇为研究对象,开展基于尾滑道的无人艇自主引导回收系统的设计与开发。该系统主要由无人艇端自动控制模块和母船端监控引导模块两大部分组成。在完成各功能模块研制的基础上,开展了无人艇上下位机通信、数据采集与传输、远程手动遥控、无人艇回转特性与速度特性以及无人艇自主引导回收模拟试验等相关测试。测试结果表明,系统具有较好的响应性、稳定性及无人艇操控性能,能较好地满足无人艇自主返航及引导回收的要求。本文研究为实现无人艇自主引导回收提供重要的基础保障。     

基于自适应专家S面算法的微小型USV控制系统设计

研究一类微小型水面无人艇(unmanned surface vessel,USV)的运动控制系统设计问题,提出了一种自适应专家S面运动控制算法。首先,基于STM32-ARM核心板设计了一类微小型无人艇的运动控制系统,基于Labwindows/CVI软件开发了上位机监控系统;其次,充分融合专家系统和S面控制算法的优势,提出了一种自适应专家S面运动控制算法,用于微小型无人艇的航速和航向控制;最后以所研制的"神龙号"微小型无人艇为载体,通过大量的水池试验和外场试验,验证了所设计和开发的运动控制系统的有效性和可靠性;同时通过对比试验,体现出了所提出的自适应专家S面控制算法在无人艇航向和航速控制方面的优越性。     

无人水面艇导航技术研究

无人水面艇是能够自主航行的无人水上航行器,在海洋勘探、海上救援和海上运输等领域具有重要意义,其海上自主航行的关键是自主航行与导航技术。无人水面艇导航技术主要包括单一导航方式和组合导航方式2类。本文以卫星导航、惯性导航及组合导航方式的无人水面艇导航技术为基础,对比不同导航技术的特点,总结无人水面艇导航技术发展趋势。     

基于智能控制技术的无人艇操纵性研究

利用仿人智能控制技术设计具有高度自适应性的无人艇操纵控制系统。首先阐述仿人智能控制的步骤,然后根据无人艇操纵的特点设计操纵控制级,得到以运动控制的模态控制集和运动控制级的推理规则集。最后将本文的仿人智能控制技术与S面自适应控制技术进行仿真对比,实验结果表明本文算法在无人艇操控方面灵活性高、适应性好。     

复合动力超长续航无人艇系统的设计与实现

为实现无人艇在海上追踪、搜救、巡逻、反潜等任务中的超长续航,避免因油料限制而被迫任务中断,设计了一套以风能、太阳能为动力的无人艇系统,利用风帆为无人艇推进,太阳能为船上电控设备提供电能。该系统由无人艇和岸基监控平台组成,无人艇可通过python开发的数据采集模块和算法模块实时采集环境数据、计算、生成并下达控制指令,在风区内可超长续航自主航行,实现全风向利用；岸基监控平台可实时监控无人艇状态,并进行自主/遥控模式切换。对系统进行了测试,通讯连接试验的可靠性高；无人艇航行试验验证了全风向自主航行的可行性,运行轨迹与仿真结果基本重合；太阳能供电分析理论上验证了风区超长续航的可实现性。     

复合动力超长续航无人艇系统的设计与实现

为实现无人艇在海上追踪、搜救、巡逻、反潜等任务中的超长续航,避免因油料限制而被迫任务中断,设计一套以风能和太阳能为动力的无人艇系统,利用风帆为无人艇推进,利用太阳能为船上电控设备提供电能。该系统由无人艇和岸基监控平台组成,无人艇可通过开发出的数据采集模块和算法模块实时采集环境数据,计算、生成并下达控制指令,在风区内超长续航自主航行,实现全风向利用;岸基监控平台可实时监控无人艇状态,并进行自主/遥控模式切换。对系统进行测试的结果表明通讯连接试验的可靠性高;无人艇航行试验验证了全风向自主航行的可行性,运行轨迹与仿真结果基本重合;太阳能供电分析理论上验证了风区超长续航的可实现性。     

无人艇自主避障算法设计与仿真

文章针对无人艇全局路径规划航线上可能存在未知静态障碍物,影响其安全航行的问题,提出加装超声波传感器和罗盘,分别用于测量无人艇航行过程中与障碍物的距离信息和偏航角,作为无人艇运动控制器的输入。同时设计了包含岸基和船载的无人艇运动控制系统,采用模糊控制算法实现自主避障功能,依靠专家经验制定无人艇运动控制规则,依据航速和传感器探测距离设计隶属度函数,Matlab仿真路径有效避开了障碍物,得到了安全的航行路径,验证了算法有效性。     

长航程无人艇的导航-制导-控制系统

长航程无人艇是进行远距离海洋环境监测、目标探测的有效工具。高效能的导航-制孚-控制系统是无人艇提升续航能力的基础与前提。本项目围绕长航程无人艇的导航-制导-控制系统展开介绍,重点阐述导航、制导、控制三个子系统功能的实现方法以及现有方法在节约能耗方面的不足。最后针对长航程无人艇导航-制导-控制系统的总体架构提出展望,以期达到提升无人艇的整体续航能力与平衡无人艇航行安全与能量消耗的目标。     

无人水面艇自主回收中的导航定位技术分析

无人水面艇的布放回收长期以来都是依靠人工进行,是制约无人艇在实际工程广泛应用的重要因素之一。导航与定位技术是无人艇实现自主回收的关键,然而目前无人艇回收过程基本还采用人工遥控手段,保障要求高、智能化水平低。本文阐述了无人艇自主回收过程中导航定位技术的应用现状,介绍了无人艇回收各个阶段的导航过程,对其中涉及的关键技术进行分析,包括无人艇多源导航信息融合技术和近距离视觉相对定位技术,最后对无人艇自主回收中的导航定位技术进行总结与展望。     

基于自主平台的NMEA2000协议改进和优化

[目的]为了拓展NMEA2000通信协议标准的应用范围,优化、提升网络传输效率,研制基于自主可控平台的NMEA2000数据采集传输系统。该系统可将非认证设备接入NMEA2000网络并提升其传输效率。[方法]以GD32F207芯片为微控制器并在与RT-Thread嵌入式实时操作系统结合的自主可控平台上,根据各厂商原有设备协议和NMEA2000协议标准,采用数据映射的方式,完成协议格式转换。利用NMEA2000数据帧未使用的标识符域和优先级动态调整,提升NMEA2000网络传输效率。[结果]基于自主可控平台的NMEA2000板卡实现了非认证设备的接入,优化后网络传输效率随着传输字节数的不同有着不同程度的提升,网络实时性与可靠性也有所提升。[结论]所提数据采集传输系统具有多种接口,能够完成非认证设备的接入,网络数据传输效率、实时性和可靠性能够满足船载设备间数据传输的需要。     

水面无人艇自主跟踪系统设计

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。     

基于GD-FNN和参考模型的无人艇航向鲁棒自适应控制

为使无人艇在复杂环境干扰下能按希望要求改变航向,本文设计了一种基于广义动态模糊神经网络和参考模型的鲁棒自适应控制器.首先针对因环境干扰产生的不确定干扰项基于广义动态模糊神经网络建立了无人艇运动控制的逆动态模型,设计了模糊神经网络的自适应率以进一步调整神经网络权值,并结合无人艇运动控制模型的参考模型设计了无人艇航向鲁棒自适应控制器,然后通过Lyapunov稳定性理论,证明了基于该控制器的无人艇航向控制系统的稳定性,最后采用半物理仿真实验验证了该控制方法的有效性和准确性.     

基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法

针对无引导标志物的自然泊位，提出一种基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法。首先，通过无人艇搭载的摄像机对泊位进行采集，从中提取出泊位与水面交接的水岸线，并将其作为无人艇的跟踪对象；其次，通过图像中泊位左右两侧水岸线的消失点以及相机坐标系下原点与泊位水岸线投影点连线所形成的几何关系建立导航模型，求得偏航角、偏航距离、无人艇与期望停泊点的距离以及无人艇速度。靠泊控制器由航向控制器和速度控制器构成，其中航向控制器采用PD控制，根据偏航角和偏航距离实时控制无人艇的航向，速度控制器根据无人艇与期望停泊点的距离和无人艇速度来控制无人艇进行减速运动，使无人艇平稳安全驶向期望停泊点且在到达时速度为零。最后通过仿真和实船试验验证了该方法的可行性。     

无人艇研究进展及发展方向

近年来,无人艇行业的研究非常活跃,既有高等院校参与,也有工业界的研究机构参与,科研人员从不同研究目的出发,为无人艇的研究做出了各自的贡献。一般而言,无人艇是包含通信、导航、控制、监测等多种仪器的高科技装备,本质上是一种基于某些特定应用搭载各种装备和仪器、实现特定功能和任务的自动化水上平台。目前为止,无人艇的性能改进研究还有较大的空间,需要将控制理论与工程实际更进一步结合。本文将针对国内外无人艇的发展概况以及无人艇研究尚存在的问题展开论述。     

基于改进的视线导引算法与自抗扰航向控制器的无人艇航迹控制

[目的]无人艇(USV)在复杂环境情况下会出现偏离目标航线的情况,为提高水面无人艇的抗干扰能力及实际航行的稳定性,实现对航迹的准确控制,提出一种改进的无人艇航迹控制方法。[方法]根据导航信号受环境影响的情况,对GPS信号有效和无效2种情况下的航迹控制分别进行分析,在自主可控平台上设计并实现了基于模糊控制可变船长比的视线导引算法(LOS)和自抗扰航向控制器(ADRC)相结合的航迹控制方法,并开展了双桨双舵无人艇湖上试验。[结果]仿真结果表明:该方法可满足航迹控制的要求,转弯后航向能够快速保持稳定,无频繁摆舵现象,且该方法能够完成真实环境下的航迹控制,航迹贴线误差均值约为0.1 m,方差约为0.03。[结论]湖上试验结果验证了该算法在实际工程应用中的可行性和有效性。     

水面无人艇集群系统研究

研制开发1套水面无人艇(USV)集群系统,使无人艇能够实现集群化运作。根据系统的功能需求,设计系统的整体架构,将整个系统划分为岸基基站子系统和无人艇子系统。基于模块化设计理念,再将子系统细分成各个模块,分别对各模块进行硬件选型与软件设计,使其有机的结合,建立具备多任务、长航时、高精度导航及较高智能化的集群系统。将系统运送至喻家湖湖区进行各项试验,实验结果表明,该水面无人艇集群系统具有良好的实时性、准确性与可靠性,能够满足集群化运作的要求。该系统的结构还可扩展至无人机、无人水下航行器等,对今后开展无人集群系统的协同化、智能化研究具有参考意义。