无人船(USV)是一种机动灵活、航速较快、具有自主航行能力并且可以人为遥控的智能化水面船舶。凭借以上优点,使它可以代替操作人员完成一些危险、困难的任务,在很多领域的应用上都具有很大的作用。船舶在海上航行的过程中,会受到风、浪、流和其他船舶的影响,导致USV的航行环境十分复杂。为了使无人船高效并安全的完成巡航任务,提高无人船操控系统的完整性、航迹跟踪控制的准确性以及避障能力势在必行。目前,在无人船的理论研究上,国内外的很多学者设计了很多优秀的控制算法,并利用计算机仿真实验的方式进行了验证。但是应用到实船上并进行海上试验的相对较少。因此,本文在将控制算法完成仿真实验验证后,将算法用C++程序实现并进行了实船实验。本文首先确定了无人船操控系统的整体架构,并对无人船控制系统中的硬件和软件作了简要介绍。在所有功能模拟调试正常后,出海进行了实船的操纵性试验并记录实验数据。基于实船的操纵性实验数据,利用最小二乘法辨识野本方程中的KT参数,首先建立船舶运动坐标系,然后确定了无人船运动数学模型。接着设计了基于PSO(Particle Swarm Optimization)的无人船路径规划。介绍了存在静态障碍物的情景下,根据无人船的起点和终点建立极坐标系,应用粒子群算法为USV规划出一条最优路径。在Qt开发环境下将算法实现并设计了UI界面。将无人船的起始位置、目的位置、障碍物位置和规划出的路径统一显示在主界面当中,通过界面中显示的规划结果验证了算法的正确性。在此基础上利用视线法(line of sight,LOS)设计了航迹跟踪控制器,结合船舶数学模型进行了仿真验证。最后又出海进行了实船的航向控制实验和路径跟踪实验,对实验结果整理与分析后验证了本文所提出的控制方法具有一定的工程实用性。
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