摘 要

随着航运行业及计算机行业的发展，物联网及嵌入式技术进步，对水面无人艇的研究也变得愈加重要。路径跟踪是无人艇研究领域中的一个重要方向。为确保航行在既定的路径上，无人艇需要克服由于风浪流等时变不确定环境扰动影响。为解决扰动不确定下的无人艇路径适应性跟踪问题，本文设计并实现了适应性路径跟踪策略，实时的计算无人艇与预设路径之间的偏差，并不断地调整无人艇的运动方向，可以很好的克服各种环境扰动。首先通过对喷水推进无人艇运动进行建模，分析了无人艇的运动状态；随后对路径跟踪过程进行了几何分析，设计了路径跟踪算法，并以此为基础编写了无人艇运动控制程序，程序中整合了GPS模块数据的UBX协议解析程序、地磁模块的I2C总线数据接收及解析程序、路径跟踪算法实现程序和无人艇运动控制程序；最后，搭建无人艇试验平台，平台由GPS和地磁模块、Arduino处理器、无线通信设备、舵机控制模块构成，水域试验证实了本文提出的扰动不确定下的自适应路径跟踪策略的有效性。

关键词：无人艇 扰动不确定 路径跟踪 Arduino 舵机控制

Abstract

With the development of the shipping industry and computer industry, the progress of the Internet of things and embedded technology, the research on unmanned surface vessel becomes more and more important. Path following is one of the most important directions in the research of unmanned surface vessel. To ensure that navigation is on the established path, unmanned surface vessel need to overcome the uncertain environmental disturbances due to time-varying variations such as wind and wave. In order to solve the adaptive path following problem of unmanned surface vessel with uncertain disturbances, this paper designs and implements the adaptive path following strategy, the strategy can real-time calculate the deviation between unmanned surface vessel and the preset path, then it can constantly adjust the direction of movement of the unmanned surface vessel, the strategy can well overcome the various environmental disturbances. Firstly, the model of water jet propulsion unmanned surface vessel is modeled, and the motion state of the unmanned surface vessel is analyzed; secondly, the path following process is geometrically analyzed, path following algorithm is designed, and the unmanned surface vessel motion control program is designed on the basis of preparation. In the program, the UBX protocol analysis program of GPS module data, the I2C bus data receiving and parsing program of geomagnetic module, the path following algorithm implementation program and the unmanned surface vessel motion control program are integrated; finally, unmanned surface vessel test platform is built, the platform is composed of GPS and geomagnetic module, Arduino processor, wireless communication device and steering engine control module. The water test proves the effectiveness of the adaptive path following strategy proposed in this paper

Key words: Unmanned surface vessel Water jet propulsion Path following Arduino Steering control

目录

第1章 绪论 1

1.1背景资料 1

1.2研究目的和意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.4论文主要研究内容及结构安排 3

1.4本章小结 3

第2章 问题描述 4

2.1 无人艇运动模型 4

2.2 坐标系转换 4

2.3 路径跟踪问题描述 4

2.3 本章小结 4

第3章 路径跟踪控制器设计 4

3.1路径跟踪策略 4

3.2 通信系统及位置信息采集程序的设计 4

3.3 数据处理程序设计 4

3.4 本章小结 4

第4章 无人艇硬件配置 4

4.1定位导航模块 4

4.2主控制模块 7

4.3动力控制模块 8

4.4通信模块 9

4.5 本章小结 11

第5章 无人艇路径跟踪仿真实验及水域试验 11

5.1 仿真验证 11

5.2 无人艇路径跟踪水域试验 17

5.3 本章小结 20

第6章 总结与展望 21

6.1 工作总结 21

6.2 未来展望 21

致谢 21

参考文献 21

第1章 绪论

1.1背景资料

水面无人艇(Unmanned Surface Vessel, USV)是基于远程通信技术和自动控制技术实现的一种自动化无人操作船艇，它可以代替人类在复杂海洋环境中执行各种任务^[1]。鉴于无人船艇在应用方面的广阔前景,特别是随着通信技术、人工智能等新技术、新理念的迅速发展,无人船艇的研究有了科技支撑^[2]。在未来,无人船艇将对航运业产生巨大改变,带动航运业的发展。谁站在技术的前沿,谁就有可能成为相关巨大市场的孕育者和占有者^[3]。水面智能无人艇作为一个复杂的系统，集成了船舶设计、智能控制、人工智能、导航和通信等专业技术为一体，是一个可以在复杂海洋环境中执行各种军用和民用任务的智能化无人平台。USV具有机动性强、便于隐蔽、可搭载在其他舰艇上等优点，在搜救、海洋环境探测、海洋调查以及海事维权中得到了广泛的应用^[4]。

过去几年，水面无人艇的跟踪控制问题已经在控制、自动化和海洋工程领域吸引了大量的注意力。水面无人艇的运动控制在搜索、救援、监视、侦察、探测、海洋测绘、地质取样和扫雷方面都有应用潜力。USV在自主航行及操纵性能方面性能优越，在海事巡航和搜救中有着广阔的应用前景。目前多个国家都开展了对USV的相关研究，20世纪90年代，国外关于USV的研究项目大量出现^[5]，美国和以色列等国家在这方面处于领先地位^[6-8]，例如美国的“斯巴达侦察兵”USV，以色列的“保护者”USV，它们既能自主航行也可遥控操纵，装备有摄像机、导航雷达、GPS等设备。在民用方面，麻省理工(MIT)的AUV实验室在海洋基金项目资助下研发了一系列的水面机器人，用于各种不同的任务。在MIT研究项目的鼓舞下，英国、意大利、葡萄牙等国家已研制出多种水面机器人，应用于海洋环境监测、水文勘测、水上网络组建和水面溢油处理等领域^[9]。

1.2研究目的和意义

国内对无人艇的研究起步比较晚，先进程度相对国外差距较大，而且国内的USV研究大都在遥控的阶段，对路径跟踪的研究较少，USV的智能化关键技术方面还很薄弱，因此在USV智能化方面的前瞻性技术探索和研究不仅很有必要，而且十分紧迫^[10]。USV的路径跟踪是实现USV智能化的关键技术之一^[11-12]，对USV的发展会产生深远影响。由于船体横轴方向上未装备驱动装置，缺少可用的控制输入，导致针对一般运动系统的基于向量的控制器设计方法不能有效地解决USV的运动控制问题，进而阻碍了对USV的路径跟踪问题的研究。因此，对欠驱动船舶的控制问题进行深入研究更富有实际意义^[13]。路径跟踪是一种典型的USV运动控制，其要遵循几何路径，受空间约束。一个完整的路径跟踪策略由三部分组成：路径规划，路径引导和速度控制器。但是USV由人工操作不仅费时费力，而且极大的限制了USV的作用，也阻碍了USV的发展。对USV路径适应性跟踪的研究由有常大的需求。为确保航行在既定的路径上，无人艇需要克服由于风浪流等时变不确定环境扰动影响，解决其路径跟踪问题。