无人艇运动控制仿真及可视化设计

摘要

近年来无人艇由于其低成本、高效率、清洁环保，恶劣海况下能够代替人进行危险活动等优势，可为海洋勘察与交通监管提供有效的手段，已成为海洋船舶领域的研究热点。如何控制无人艇按照需求平稳、安全航行，是无人艇的研究重点之一。由于无人艇测试环境场地受限，尽管其体积相较大型船舶小很多，但进行大量实际环境的无人艇控制实验依旧较困难。因此，在无人艇运动控制算法研究初期，进行可视化仿真实验显得尤为重要。 在分析了无人艇、运动控制方式及算法、可视化研究等方面的国内外研究现状的基础上，结合武汉理工大学智能交通系统研究中心实验室的无人艇进行“基于MPC的无人艇航向航迹跟踪仿真系统”设计。主要包括以下研究内容： （1）无人艇航向、航迹模型建立。根据不同功能需求选择适合无人艇的动力学模型，并通过参数辨识的试验方法获得与无人艇建模相关的有关参数。 （2）基于状态空间的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）算法控制器设计及仿真。根据无人艇模型设计航向、航迹控制器，运用控制变量法对控制器性能及参数进行分析，得出适应于航向、航迹跟踪控制的最优控制参数。 （3）虚拟现实环境建模。运用Creator及Vega Prime软件进行无人艇的船体模型建立与海洋环境的搭建，最终设计出双通道视图。 （4）可视化仿真系统设计。运用VS2005软件设计“基于MPC的无人艇航向航迹跟踪仿真系统”界面部分，Matlab承担编写控制器算法的功能，Vega Prime编写的三维视景文件承担从算法计算获取的结果转化成三维图像显示功能，实现了二维数值仿真及三维可视化仿真的结合。 （5）无人艇实船实验。根据仿真所得最优参数进行无人艇实船试验验证，并根据实验结果进行参数调整，通过与PID算法试验比较得出MPC算法的优劣性，为今后算法改进提供理论与实验支撑。 研究表明：基于状态空间的MPC算法可以很好地控制无人艇的运动，具有快速收敛的特性，仿真系统的搭建为后续无人艇MPC控制算法或其他算法的研究改进搭建了基本平台框架，为将合适的控制算法移植到无人船上进行真实控制提供了验证环境。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 目的与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文研究内容及论文章节安排

第2章 无人艇航向跟踪控制建模及仿真

2.1无人艇航向跟踪模型

2.2环境干扰模型

2.3航向跟踪控制器设计

2.4 航向跟踪控制器仿真及分析

2.5 本章小结

第3章 无人艇航迹跟踪控制建模及仿真

3.1无人艇航迹跟踪控制模型

3.2 环境干扰模型

3.3 航迹跟踪控制器设计

3.4 航迹跟踪控制仿真及分析

3.5 本章小结

第4章 虚拟现实环境建模

4.1 虚拟仿真的三维建模技术

4.2 无人艇三维模型的建立

4.3 基于Vega的虚拟环境创建

4.4 本章小结

第5章 可视化系统设计及实验

5.1 系统关键技术

5.2 可视化系统设计

5.3 实船实验

5.4 本章小结

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间获得的成果