摘 要

船在航行过程中,总想让它以直线轨迹航行,从而快速到达目的地,这便是船的航向控制问题。而船在航行过程中难免受到来自外界或自身多重因素的干扰,这便要求专业人员在设计船舶航向控制器的时候应考虑其鲁棒性和响应性,控制参数可以由外界环境的变化进行调整,从而达到船舶航向控制要求的性能指标,实现经济、快速航行。

本文对基于Arduino的PID控制器在关于无人艇航向控制的应用进行了相关的设计研究。在PID控制器结构简单，抗干扰性强等特性基础上，结合Arduino的跨平台，开放性强及其简单清晰的优点，设计出一种结构简单、抗干扰性及响应性较强的船舶航向控制器。

首先，本文给出了船舶航向控制设计中的数学模型，由此来对控制器的PID参数进行数学推导，根据所推导出的参数编写控制程序，再将程序烧入Arduino芯片中便可实现该控制器。

最后在Matlab上建立Simulink仿真模型，对所设计的控制器进行仿真以验证其响应性能，并加之干扰信号以检验其抗干扰性能。

结果表明所设计的基于Arduino的无人试验艇PID控制器具有比较良好的响应性和鲁棒性，仿真的结果良好。

关键词：PID；船舶航向控制；Arduino；抗干扰性

Abstract

In the course of the voyage, the ship always wanted to sail in a straight line to reach the destination quickly. This was the problem of the ship's heading control. And the ship in the course of navigation will inevitably be from the outside or its own multiple factors of interference, which requires professionals in the design of the ship course controller should consider its robustness and responsiveness, control parameters can be adjusted by the external environment changes , So as to achieve the ship's course control requirements of the performance indicators, to achieve economic, rapid navigation.

In this paper, the Arduino-based PID controller has been studied in the application of unmanned navigation control. Based on the characteristics of simple PID controller, strong anti - jamming and so on, combined with Arduino 's cross - platform, openness and its simple and clear advantages, a kind of ship course with simple structure, anti - interference and strong response is designed Controller.

First of all, this paper gives the mathematical model of ship course control design, which is to derive the PID parameters of the controller, according to the parameters derived from the preparation of control procedures, and then burn the program Arduino chip can achieve the Controller.

Finally, a Simulink simulation model is established on Matlab, and the designed controller is simulated to verify its response performance, and the interference signal is added to test its anti-jamming performance.

The results show that the design of Arduino-based unmanned test boat PID controller has good response and robustness, and the simulation results are good.

Key Word: PID; ship heading control; Arduino; robustness; adaptiv

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 无人艇简介 2

1.3 Arduino平台简介 4

1.4 本文结构安排 5

第2章 无人艇数学模型建立 6

2.1 Nomoto模型的建立 6

2.2 Nomoto数学模型的求解 13

第3章 PID控制器设计和基于平台实现 14

3.1 PID控制简介 14

3.2 PID控制器模型建立 16

3.3 控制参数整定 17

3.4 基于Arduino平台的控制实现 17

3.4.1 Arduino对舵机的控制方法 17

3.4.2 PID控制程序 20

第4章 控制器控制性能分析 21

4.1 航向控制系统时间响应 21

4.2 航向系统抗干扰性 23

4.3 分析结果 25

第5章 总结 26

致谢 27

参考文献 28

绪论

课题研究的背景及意义

当今世界，航运竞争日益激烈，人们对航运安全性要求逐渐提高，加之营运需求的高速增长，船舶的设计者不得不设法提高船舶的自动控制性能，无人艇越来越成为未来航运的发展趋势。其中首当其冲的便是船舶的航向控制系统。

无人艇是无人载运平台其中一个分支，国外的发展与国内相比较要早许多。美苏冷战结束之后，近海地带成为对各国经济发展至关重要的地区，也是美国等西方国家海军关注的焦点。浅海和极浅海作战、以及与其他海上平台和空中平台的协同作战、低成本作战在诸多关于未来海军作战学说的论文中受到越来越多的重视。无人艇受到了越来越多国家的重视，正逐步成为有人平台的补充或者替代品，用以提高效率和减少伤亡等^[1]。

船舶的航向控制从来都是较为活跃的控制，从早期的最优控制、自适应控制、PID控制、鲁棒控制，再到近年来发展迅速的智能控制，高技术化、智能化已经是船舶运动控制大力发展的方向。但考虑到船舶其动态特性具有大时滞、大惯性和非线性，运动又十分复杂等特点，装载变化及航速所产生的模型摄动，在航行过程中，常常受到浪、风、流等外部因素的干扰，加之海上环境的严重干扰、航行条件的变化以及仪器测量的不精确性等都会对船舶的运动产生不确定性。传统PID控制控制器控制参数的确定多是经过一些特定的动态试验来获得，然而这样对船舶来进行实时试验大多是不现实的，因此，驾驶员多是根据自己的经验来整定控制参数，一旦航行的条件发生改变，就需要马上重新进行控制参数的整定，抗干扰性较差，难以满足控制要求。为解决这些问题，智能控制方法开始加入到人们航向的研究当中，研究像PID与神经网络相结合、PID与模糊控制相结合等混合型控制系统，以此适应船舶控制的要求^[2]。