水面無人船控制系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

1、水面無人船（USV）是具有自主航行能力，并且可自主實現(xiàn)環(huán)境感知、目標(biāo)探測等任務(wù)的智能化、無人化水面平臺，其最主要的特征便是欠驅(qū)動性，即利用2個獨立的輸入端同時控制3個自由度的運動。
　　欠驅(qū)動系統(tǒng)能夠通過較少的驅(qū)動器來完成復(fù)雜的控制任務(wù)，這不僅能夠降低成本，簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時也能提高系統(tǒng)的可靠性與易維護(hù)性等。欠驅(qū)動控制可為與其對應(yīng)的完全驅(qū)動系統(tǒng)，提供一種應(yīng)急措施，即如果全驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障無法正常工作時，即可采用欠驅(qū)動控制策略，

2、利用仍在工作的控制器繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行必要控制，如此可極大提升設(shè)備發(fā)生故障時，系統(tǒng)的可靠性。另一方面USV在軍用和民用上都具有重要意義，在民用上，USV能夠進(jìn)行港口監(jiān)控、水質(zhì)采樣、水文勘察、海事搜救等；在軍用上，USV可承擔(dān)情報收集、監(jiān)視偵查、掃雷、反潛、精確打擊、搜捕、反恐等功能。
　　本文針對一種雙直流電機驅(qū)動的USV控制系統(tǒng)，基于MATLAB/Simulink，對其欠驅(qū)動性進(jìn)行研究，并以工控機和數(shù)據(jù)采集卡為核心，設(shè)計它的控制系統(tǒng)

3、。
　　首先采用直流雙閉環(huán)斬波調(diào)速以此解決直流電機的調(diào)速問題。具體方法是在得出直流電機的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，設(shè)計出直流電機模塊、橋式可逆斬波電路、PWM驅(qū)動信號發(fā)生電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，從而通過這些電路模塊，組合而成直流雙閉環(huán)斬波調(diào)速系統(tǒng)的模型，并且通過仿真驗證，表明了直流電機的起動過程平穩(wěn)，并且無論電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩如何變化，電機的轉(zhuǎn)速都能保持穩(wěn)定。
　　其次通過建立USV運動方程、粘性水動力方程、螺旋槳推力方程、USV轉(zhuǎn)

4、向方程等，從而得出USV的三自由度運動控制系統(tǒng)狀態(tài)方程。并將此狀態(tài)方程與直流雙閉環(huán)斬波調(diào)速系統(tǒng)相結(jié)合，從而得出USV模型，并且成功對此USV模型進(jìn)行了直線實驗和回轉(zhuǎn)實驗的仿真。直線實驗仿真中，USV能夠在各種干擾下，保持雙電機相同轉(zhuǎn)速，從而使USV保持直線前行。在回轉(zhuǎn)實驗仿真中，可得知USV的回轉(zhuǎn)方向與回轉(zhuǎn)的角度取決于雙電機的轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速差越大，回轉(zhuǎn)的角度就越大。所以通過仿真實驗的成功可說明此USV模型的正確性，從而為USV欠驅(qū)動控制的

5、研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對雙直流電機驅(qū)動的USV欠驅(qū)動控制，主要是設(shè)計出一種基于模糊控制的直線路徑跟蹤方式，以此研究欠驅(qū)動控制中的路徑跟蹤。模糊控制器采用雙輸入雙輸出的控制結(jié)構(gòu)，通過USV的實際航向角與目標(biāo)直線路徑角度的差值，以及USV與目標(biāo)直線路徑的距離差值作為輸入，以此確定USV的當(dāng)前狀態(tài)，通過模糊推理實時調(diào)整雙直流電機的轉(zhuǎn)速變化，以此作為輸出，從而改變USV當(dāng)前的運動狀態(tài)，實現(xiàn)直線路徑跟蹤，并且通過仿真表明，此模糊控制器能夠

6、根據(jù)USV的當(dāng)前狀態(tài)，利用模糊規(guī)則實時調(diào)整USV的運動狀態(tài)，從而響應(yīng)速度快，能夠平穩(wěn)、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)路徑。
　　最后本文設(shè)計一種以工控機和數(shù)據(jù)采集卡為核心的USV控制系統(tǒng)。USV控制系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩方面，硬件系統(tǒng)主要由USV船體、岸基監(jiān)控系統(tǒng)和無線傳輸系統(tǒng)組成，USV船體核心為工控機及PCI8602數(shù)據(jù)采集卡，它是通過數(shù)據(jù)采集卡控制直流電機和采集各類傳感器數(shù)據(jù)，GPS差分定位系統(tǒng)通過RS232串口與工控機相連，岸基監(jiān)控系統(tǒng)

7、由 PC機組成，無線傳輸系統(tǒng)通過 RS232串口與工控機、PC機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。軟件方面用Visual Basic編寫，主要需要編寫 PCI8602驅(qū)動程序、無線傳輸程序和主控程序，無需編寫各層之間復(fù)雜的通信協(xié)議，各子系統(tǒng)之間易集成。
　　此控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于硬件方面，系統(tǒng)中沒有復(fù)雜的電子電路，無需關(guān)心硬件設(shè)備的控制細(xì)節(jié)，硬件結(jié)構(gòu)簡易；軟件方面無需編寫各層之間復(fù)雜的通信協(xié)議，降低了編程難度，USV各子系統(tǒng)之間易集成，所以本