水面无人艇快速性和操纵性实时监控系统设计(2)

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3.3本文的辨识思想.21

第四章实时监测系统快速性和操纵性数学模型24

4.1快速性24

4.1.1快速性设计变量.24

4.1.2快速性目标函数.25

4.1.3快速性约束条件.26

4.2操纵性27

4.2.1操纵性设计变量.27

4.2.2操纵性目标函数.27

4.2.3操纵性约束条件.28

第五章水面无人艇实时监控系统29

5.1水面无人艇实时监控系统构思来由.29

5.2实时监控系统初步构想.29

5.3实时监测试验方案初步设计30

5.3.1水面无人艇快速性实时监控试验方案30

5.3.2水面无人艇操纵性实时监控试验方案31

5.4可行性分析.32

第六章水面无人艇快速性、操纵性实时监测试验33

6.1快速性试验.33

6.1.1快速性试验过程.33

6.1.2快速性试验数据及分析.33

6.2操纵性试验.34

6.2.1航向稳定性试验过程34

6.2.2航向稳定性试验数据及分析.35

6.2.3回转试验过程35

6.2.4回转试验数据及分析36

总结与展望45

参考文献.47

第一章绪论 1.1 研究的目的和意义近年来，交通领域逐渐向无人智能驾驶方向发展。2014 年5 月，google 宣布其无人驾驶汽车项目正向消除人为干预的全自动方向发展，期望几年内能实现公路试驾。无人机也在试图走进人们的生活。除军事用途外，亚马逊创始人贝索斯早在2013 年12 月就发布利用无人机开展递送服务的企划，如今已经相关服务已经较大程度上地推广普及了。在无人驾驶方面，跟无人机、无人汽车的高速发展相比，无人船艇的发展处于相对落后的状态[1]。水面无人艇作为一种新兴的高性能船，对其进行的研究是一个富有创新性的领域。相较于常规的有人船艇， USV具有机动灵活、隐蔽性好、活动区域广、使用成本低等特点[2-4]。以当前的研究状况来看，无人艇主要被应用于以下三方面：往有危险区域执行危险任务；代替人执行一些任务来减轻人的工作量；行其他不适于有人船只执行的任务。在这些方面，无人艇的发展会给人类探索和改变世界注入的新的强大动力。现如今在水面无人艇的研发和应用领域，美国和以色列处于领先地位。其中美国在2007 年公布了《海军无人水面艇主计划》，对美国海军未来水面无人艇（USV)20 年的发展做了相当全面的规划。以色列在水面无人艇方面的研究则充分体现了采用模块化、突出隐身性、吸收新技术的设计特点。与美国等西方发达国家相比，我国对无人艇的研发和应用尚处于起步阶段，在政策扶持、教育引导、民众关注度等方面都存在较大的差距。但近年来发展较为迅速也获得了相当的成就，2013 年我国研发的"海巡166 号”无人艇，其主体采用玻璃钢全封闭结构，源[自-751*`论/文'网·www.751com.cn推进系统选用柴油机作为主要动力并尝试非常规的喷水推进系统，经过相关实验该型无人艇的机动性、抗沉性和抗风浪能力都得到了较好的证明。2014 年上海大学研制的"精海”系列无人艇，这一系列无人艇配备了我国拥有自主知识产权的北斗导航系统，同时成功地实现自主定位、航迹自主跟踪、航迹线远程动态设定、障碍物自主避碰等先进技术。即使近年来发展迅速，我国对无人艇的研究还有很多不足，我们应当学习借鉴国外的成功经验，全面推进水面无人舰艇向智能化、自主化发展。对水面无人艇的研究本文对水面无人艇的概念、发展现状、基本结构和特点、快速性和操纵性实时监控系统设计等进行了探讨。
1.2 国内外研究现状 1.2.1 水面无人艇的简介水面无人艇（unmanned surface vessel，简称 USV），是一种无人操纵的水面舰艇，可用于执行危险任务或用于其他一些减轻人工的任务。水面无人艇是在水面航行的一个无人化、智能化的自主平台[5]。无人船艇主要分为两大类，一类叫做全自主型无人船艇，具有自主规划、自主航行、自主环境感知能力；另一类被称为半自主型无人船艇，它们只能按照内置程序航行或执行任务。对于 USV 的研究，需要船舶设计、计算机技术与人工智能、运动操控、系统辨识等多专业技术紧密结合，彼此协调，其研究内容涉及智能驾驶、自主避碰、实时导航技术、模式识别等多方面，可根据其作战或使用功能的不同，采用不同的模块，搭载不同的传感器及设备，从而获得完成诸多不同要求任务的能力。早在1898 年，水面无人艇的雏形就已出现，当时一个叫做尼古拉·特拉斯的著名发明家发明了被称作"无线机器人”的遥控艇。而无人艇出现在实战中要追溯到二战时期——著名的诺曼底登陆战役，盟军研制出一种可自动驶往目的海域的装载烟幕剂的无人艇，可以达到作战掩护的战术目的。二战后期，美国海军为了便于在浅海雷区进行扫雷作业，研发了一种加装远程无线操控的操舵装置和扫雷装置的小型登陆艇。二战结束后，军方更多地将无人艇用于扫雷和战场损伤评估等任务。这些早期的无人艇自主活动能力非常有限[6]。随着无人船艇研究的不断深入，USV 在情报收集、监视侦察、精确打击、目标搜索、水文地理勘察等方面的能力慢慢被人们挖掘出来。近几年在原有小型快艇研究的基础上，结合控制技术的成果，水面无人艇发展成为一个新兴的船舶研究课题[7]。USV 本身具有体积小，机动性强的特点，而应用了自动控制领域相关的最新研究成果后，它更将具备多项能力，诸如自主航行、智能避碰、路径规划和态势判断甚至决策能力等。由于它能在复杂海域以及不适于有人船只航行领域比如海洋军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境具有广阔的应用前景，世界各国都对 USV 进行了深入的研究，在发达国家USV 被广泛应用与民用中的海洋科考等，其应用正在不断地被推广。