水面无人船控制系统设计与研究.pdf

1、 上上 海海 海海 洋洋 大大 学学 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 题题 目：目：水面无人船控制系统设计与研究水面无人船控制系统设计与研究 英文题目：英文题目：Design and Research on Control System for Unmanned Surface Vehicle 专专 业：业：机械工程机械工程 研究方向：研究方向：模糊控制与模糊控制与控制控制系统系统 姓姓 名：名：石祥石祥 指导教师指导教师：刘璇刘璇 许哲许哲 二二 O 一一五五年年三三月月十十日日 学校代码：10264 研究生学号：M120602778 万方数据上海海洋大学硕士学位论文 I 上海

2、海洋大学学位论文原创性声明上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年 月 日 上海海洋大学学位论文版权使用授权书上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授

3、权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 ，在 年解密后适用本版权书。本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 万方数据上海海洋大学硕士学位论文 II 上海海洋大学上海海洋大学硕士学位论文硕士学位论文 答辩委员会成员名单答辩委员会成员名单 姓名 工作单位 职称 备注 主席 委员 委员 委员 委员 委员 委员 秘书 答辩地点 答辩日期 万方数据上海海洋大学硕士学位论文 III 水面无人船控制系统设计水面无人船控制系统设计与研究与研究 摘摘 要要 水面无人船（

4、USV）是具有自主航行能力，并且可自主实现环境感知、目标探测等任务的智能化、无人化水面平台，其最主要的特征便是欠驱动性，即利用2个独立的输入端同时控制3个自由度的运动。欠驱动系统能够通过较少的驱动器来完成复杂的控制任务，这不仅能够降低成本，简化控制系统结构，同时也能提高系统的可靠性与易维护性等。欠驱动控制可为与其对应的完全驱动系统，提供一种应急措施，即如果全驱动系统发生故障无法正常工作时，即可采用欠驱动控制策略，利用仍在工作的控制器继续对系统进行必要控制，如此可极大提升设备发生故障时，系统的可靠性。另一方面USV在军用和民用上都具有重要意义，在民用上，USV能够进行港口监控、水质采样、水文勘察

5、、海事搜救等；在军用上，USV可承担情报收集、监视侦查、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、反恐等功能。本文针对一种双直流电机驱动的USV控制系统，基于MATLAB/Simulink，对其欠驱动性进行研究，并以工控机和数据采集卡为核心，设计它的控制系统。首先采用直流双闭环斩波调速以此解决直流电机的调速问题。具体方法是在得出直流电机的数学模型基础之上，设计出直流电机模块、桥式可逆斩波电路、PWM 驱动信号发生电路、转速调节器和电流调节器，从而通过这些电路模块，组合而成直流双闭环斩波调速系统的模型，并且通过仿真验证，表明了直流电机的起动过程平稳，并且无论电机负载转矩如何变化，电机的转速都能保持稳定。其次通

6、过建立USV运动方程、粘性水动力方程、螺旋桨推力方程、USV转向方程等，从而得出USV的三自由度运动控制系统状态方程。并将此状态方程与直流双闭环斩波调速系统相结合，从而得出USV模型，并且成功对此USV模型进行了直线实验和回转实验的仿真。直线实验仿真中，USV能够在各种干扰下，保持双电机相同转速，从而使USV保持直线前行。在回转实验仿真中，可得知USV的回转方向与回转的角度取决于双电机的转速差，转速差越大，回转的角度就越大。万方数据上海海洋大学硕士学位论文 IV 所以通过仿真实验的成功可说明此USV模型的正确性，从而为USV欠驱动控制的研究奠定了基础。针对双直流电机驱动的USV欠驱动控制，主要

7、是设计出一种基于模糊控制的直线路径跟踪方式，以此研究欠驱动控制中的路径跟踪。模糊控制器采用双输入双输出的控制结构，通过USV的实际航向角与目标直线路径角度的差值，以及USV与目标直线路径的距离差值作为输入，以此确定USV的当前状态，通过模糊推理实时调整双直流电机的转速变化，以此作为输出，从而改变USV当前的运动状态，实现直线路径跟踪，并且通过仿真表明，此模糊控制器能够根据USV的当前状态，利用模糊规则实时调整USV的运动状态，从而响应速度快，能够平稳、准确地跟踪目标路径。最后本文设计一种以工控机和数据采集卡为核心的 USV 控制系统。USV 控制系统主要分为硬件和软件两方面，硬件系统主要由 U

8、SV 船体、岸基监控系统和无线传输系统组成，USV 船体核心为工控机及 PCI8602 数据采集卡，它是通过数据采集卡控制直流电机和采集各类传感器数据，GPS 差分定位系统通过 RS232 串口与工控机相连，岸基监控系统由 PC 机组成，无线传输系统通过 RS232 串口与工控机、PC 机相连，实现数据无线传输。软件方面用 Visual Basic 编写，主要需要编写 PCI8602 驱动程序、无线传输程序和主控程序，无需编写各层之间复杂的通信协议，各子系统之间易集成。此控制系统的优点在于硬件方面，系统中没有复杂的电子电路，无需关心硬件设备的控制细节，硬件结构简易；软件方面无需编写各层之间复杂

9、的通信协议，降低了编程难度，USV各子系统之间易集成，所以本文的USV控制系统，其中各子系统易于趋向模块化，可根据任务的不同要求，组装各模块，执行多种任务，具有极强的可行性。最终对USV控制系统样机成功在水面上进行了Z型实验和回转实验，实验的成功说明了USV控制系统已能够实施采集和发送相应测量数据，并且能够对USV实现远程控制，所以此控制系统具有极强的可行性。关键词：水面无人船，模糊控制，调速系统，数据采集卡，MATLAB，VB 万方数据上海海洋大学硕士学位论文 V Design and Reserach on Control System for Unmanned Surface Vehic

10、le Abstract Unmanned Surface Vehicle(USV)is an intelligent and unmanned surface platform,which can navigate autonomously in the marine environment and complete various tasks such as environmental perception,target detection.Its main characterization is the underactuation that two independent input t

11、erminals control motions of three degrees of freedom.Underactuated system accomplishes complicated control tasks by means of lesser drivers,which not only simplifies control system,reduce cost,but also improves reliability and easier maintenance of system.Underactuated control provides emergency of

12、control for its corresponding entire-actuated system,which is the underactuated control method is introduced to solve the problem that the entire-actuated system doesnt run normally because of malfunction.This is to say that controllers of still working control the system effectively,which increases

13、 the reliability when going wrong.On the other hand,it would be significant that USV is applied to military and civil.In civil scopes,applications of USV include harbor surveillance,water quality sampling,hydrologic survey and tec.In military scopes,it includes anti-submarine warfare,mine countermea

14、sures,information war,unconventional combat domains and tec.Therefore,aiming at control system for USV drove by double DC motors,its underactuated control is studied,basing on MATLAB/Simulink,in addition,the control system is designed with IPC and data acquisition card as the core.In the paper,First

15、ly,applying double closed-loop chopped speed adjustment system of DC motor solves the problem of speed governing of DC motor.The exact approach depends on DC motor module,bridge reversible chopper,PWM driving signal 万方数据上海海洋大学硕士学位论文 VI circuit,speed regulator and current regulator in order to obtain

16、 double closed-loop chopped speed adjustment system of DC motor,after building a mathematical model of DC motor.In addition,through the simulation,the starting procedure of DC motor is smooth and steady,and no matter how load torque of DC motor changes,the speed of DC motor keeps stable.Secondly,building kinematic equation of USV,viscous hydrodynamic equations,thrust equation of propellers and turn equation of USV obtains state equation of three degree of freedom of USV,and combining the state e