关键词:
无人船
运动控制
LOS制导律
遗传算法
PID
单片机技术
摘要:
无人船作为一种自动化、无人化的智能终端越来越受到人们的关注,一方面因为我国水系面积广阔且水资源丰富,需要智能设备对水资源和生态系统进行管理、监控以及保护,无人船的应用不仅可以解放人力,还可以提供更加精准高效的作业。另一方面,我国海洋科技强国的发展战略目标是将我国从海洋大国建设成为世界海洋强国,无人船作为海洋科技领域研究的热点,在技术领域的突破与创新举足轻重。基于此,本文对小型无人船运动控制的理论与算法展开了研究,并着重于该运动控制系统的实践与应用研究。本文在研究无人船运动控制问题时,主要采用了理论研究、仿真分析和实验验证相结合的方法,对数学模型、航向保持以及路径跟踪等关键问题上进行了深入研究,在此基础上设计出具有自主运动控制能力的无人船系统,完成了运动控制系统的硬件搭建与软件调试,最后通过仿真与实船试验去验证该系统的有效性和优越性。本文的主要工作内容与研究成果如下:(1)在构建无人船运动数学模型时,首先引出无人船平面运动基本方程,为了降低模型的复杂度,提高求解效率,在平面运动基本方程两端分别进行线性化处理,并通过纵荡与横摇、艏摇的解耦操作,简化其为三自由度的运动数学模型。在进一步的数学模型推演中,对无人船的流体力学导数进行无量纲化处理,最终得出无人船状态空间型线性数学模型。针对环境载荷干扰问题,引入符合均匀分布的白噪声作为干扰源,并建立的干扰数学模型使得无人船的运动控制更近于实际的运动控制过程。(2)在航向保持算法的研究中,根据传统LOS(Line of Sight,LOS)制导律的缺陷,即无法补偿因环境载荷对船的作用而引起的漂角,在制导环节中引入积分项形成ILOS(Integral Line of Sight,ILOS)制导律。为了使得无人船能够获得更好的回转性能,在积分项中采用变前视距离的策略。最后通过李雅普诺夫直接法进行稳定性分析,证明该航向保持算法在横向误差为零时渐进稳定。(3)在跟踪控制算法的研究中,针对PID(Proportional Integral Derivative,PID)控制器参数无法灵活调整的问题,提出一种基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化PID控制器参数的方法。在遗传算法的设计中,基于无人船的初始位姿状态产生初始种群,以此提高算法计算速度。同时,根据无人船的横向偏差与航向偏差建立目标函数,使得适应度函数的取值更为合理。(4)本文设计的运动控制器包含航向保持环节和PID控制环节,以ILOS制导律作为航向保持环节,以PID-GA作为控制环节。航向保持环节输出理想的航向角作为控制环节的输入,并最终输出推进器的转角。运动控制的仿真试验是在Matlab2019a环境下进行的,分别采用了传统方案与本文提出的控制方案进行跟踪对比试验,结果表明本文方案的优越性。(5)本文对无人船的实船运动控制系统展开了研发与设计,无人船实船系统由船载系统和上位机两部分构成。船载系统主要包括主控制器、卫星定位模块(Global Positioning System,GPS)、惯性导航模块(Inertial Measurement Unit,IMU)、无线通信模块以及执行机构,详细分析与研究了主控制器和各模块的工作原理、实际操作时的软件接口方式以及数据遵循的格式协议,并完成了软件设计、硬件搭建以及整机调试。上位机是基于MFC(Microsoft Foundation Classes,MFC)的框架进行功能开发的,可实现GPS卫星定位信息的获取与保存,使得无人船的动态信息可视化。(6)在上海海洋大学校内的静水湖泊进行了无人船的实船下水试验,本文预设了五个路径点构成一个闭合的不规则路径作为无人船跟踪运动控制的期望路径。为了能够使得数据便于计算与可视化,将GPS卫星定位坐标进行了坐标转换,并用Matlab2019a进行了数据处理。在最终的实船试验中,无人船能够对预设路径点构成的多边形闭合路径进行跟踪控制,完成了目标航行任务。