无人艇航向运动控制器的设计与实现

发布时间：2017-08-26 08:13

  本文关键词：无人艇航向运动控制器的设计与实现

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【摘要】：水面无人艇作为一种智能化海上运动平台被广泛的应用在水道测量,海洋环境监测和现代化军事战争中。水面无人艇具有广泛的应用前景,己成为国内外智能化海洋装备的研究热点。在复杂多变的海洋环境中,水面无人艇的自主航行尤其是航向跟踪和航向保持性能是其运动控制的基础问题。因此,设计一种能够适应复杂海洋环境下的无人艇航向运动控制器,是无人艇运动控制研究的重要内容之一。本文以大连海事大学“蓝信”号无人水面艇为研究对象,针对其航向运动控制的设计与实现进行研究,主要内容分为以下几部分：首先,本文采用整体型建模思想,建立了响应型无人艇三自由度平面运动的线性化数学模型。在此基础上,结合模糊控制算法与常规PID控制算法,设计了一种模糊自适应PID航向控制器,并给出了控制参数和模糊整定规则,从而实现了控制器参数的在线自整定。在风浪流干扰的情况下,分别进行了常规PID航向控制与模糊自适应PID航向控制的仿真。仿真结果表明,模糊PID控制算法相较常规PID控制算法具有更为良好的自适应性能。其次,从艇载多传感器网络中获取了无人水面艇的运动信息数据,利用基于卡尔曼滤波算法的数据融合技术,实现了在水面无人艇航行过程中准确而实时地获取姿态信息。根据无人艇要实现的航向控制功能需求,设计并实现了基于嵌入式航向运动控制系统的软硬件结构。最后,将设计的嵌入式航向运动控制器应用到“蓝信”号水面无人艇的航向运动控制中。在大连星海湾跨海大桥外围一带海域,分别进行了PID和模糊PID航向控制性能对比的实船实验。实验结果表明,在实际海洋环境中,模糊自适应PID较PID控制从稳态和动态上有更好的航向控制性能,控制精度更高、调节时间更短、鲁棒性更好。
【关键词】：水面无人艇 航向控制 模糊PID控制器 运动控制器
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.82
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题背景和研究意义10-11
• 1.2 船舶运动控制器的发展11-12
• 1.3 无人艇航向控制研究现状12-13
• 1.4 论文结构13-15
• 第2章 水面无人艇操纵运动建模及航向控制仿真15-36
• 2.1 无人艇运动数学模型15-21
• 2.1.1 无人艇运动坐标系及运动自由度的简化15-17
• 2.1.2 无人艇平面运动数学模型17-19
• 2.1.3 无人艇线性响应型数学模型19-21
• 2.2 船舶运动的干扰模型21-23
• 2.2.1 海风干扰21-22
• 2.2.2 海浪干扰22
• 2.2.3 海流干扰22-23
• 2.3 航向运动控制器的仿真23-35
• 2.3.1 PID控制原理23
• 2.3.2 模糊PID控制原理23-25
• 2.3.3 模糊PID控制器仿真设计25-30
• 2.3.4 航向控制仿真及结果分析30-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 艇载多传感器信息的数据融合36-48
• 3.1 艇载传感器及导航设备36-39
• 3.1.1 GY-86姿态传感器36-37
• 3.1.2 GPS导航传感器37-38
• 3.1.3 艇载设备网络系统38-39
• 3.2 NMEA2000协议的解析39-41
• 3.3 姿态信息的获取及数据融合41-47
• 3.3.1 基于卡尔曼滤波的姿态获取41-44
• 3.3.2 基于数据融合的信息处理44-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 嵌入式运动控制器的设计48-62
• 4.1 航向控制系统结构与需求分析48-49
• 4.2 航向控制器的硬件系统设计49-56
• 4.2.1 微控制器50-51
• 4.2.2 供电电路设计51-52
• 4.2.3 舵机反馈模块52
• 4.2.4 舵机控制模块52-53
• 4.2.5 LCD显示模块53-54
• 4.2.6 报警模块54-56
• 4.3 运动控制器软件设计56-60
• 4.3.1 uC/OS-Ⅱ介绍56
• 4.3.2 程序的任务划分56-57
• 4.3.3 通信和姿态获取任务57-58
• 4.3.4 控制算法任务58-59
• 4.3.5 转舵执行任务59-60
• 4.4 艇载电脑航向控制平台60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 航向控制的实船实验及数据分析62-68
• 5.1 模糊PID运动控制器的实现62-64
• 5.2 实船航向控制实验及数据分析64-67
• 5.3 本章小结67-68
• 第6章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 存在的问题和改进68
• 6.3 展望68-70
• 参考文献70-73
• 致谢73

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本文编号：740595