發(fā)布時(shí)間：2019-11-17 16:32

【摘要】：無(wú)人船是一種小型的水面自主航行載體,早期的時(shí)候主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,能夠代替人類完成一些作戰(zhàn)任務(wù),比如維護(hù)海上和港口安全、反恐保護(hù)、反雷、反潛等。后來(lái),逐漸廣泛應(yīng)用于各種民用領(lǐng)域,包括探南極冰架,檢查水下石油和天然氣管道,調(diào)查原油泄露的影響,深海攝影調(diào)查,維護(hù)海底設(shè)施,進(jìn)行海洋學(xué)研究等。如今,電子技術(shù)和導(dǎo)航控制技術(shù)發(fā)展地非常迅速,逐漸解決了一些無(wú)人船工程和理論上的難題,無(wú)人船已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),本文是設(shè)計(jì)一種完全自主、低成本、精度高的無(wú)人船用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,能夠增加環(huán)境監(jiān)測(cè)人員的安全系數(shù),還能使環(huán)境監(jiān)測(cè)部門及相關(guān)行業(yè)的工作效率得到顯著的提高。首先,本文根據(jù)水域測(cè)量領(lǐng)域的設(shè)計(jì)需求,提出了一個(gè)完整的系統(tǒng)方案,包括船載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和地面站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了無(wú)人船船載系統(tǒng)的硬件模塊的設(shè)計(jì),包括了如下模塊的選型：核心處理器模塊、姿態(tài)傳感器模塊和GPS接收機(jī)模塊等設(shè)備。無(wú)人船的軟件平臺(tái)選擇使用得到廣泛應(yīng)用的嵌入式Linux,本文所有的算法和程序都是基于這個(gè)平臺(tái),使用c語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。其次,本文的一個(gè)研究重點(diǎn)是無(wú)人船導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為了獲得無(wú)人船的姿態(tài)信息,讀取姿態(tài)傳感器中加速度、角速度、磁力強(qiáng)度的大小,使用兩種方法來(lái)得出姿態(tài)信息,一種是使用基于歐拉角的離散卡爾曼濾波器算法,另一種是使用基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波器算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明第二種濾波算法效果更好,當(dāng)靜止的時(shí)候,收斂速度更快,并且可以方便地進(jìn)行全姿態(tài)的測(cè)量。為了獲得無(wú)人船的實(shí)時(shí)速度還有位置信息,選擇從GPS接收機(jī)讀取衛(wèi)星發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),然后經(jīng)過(guò)解析得到。然后,介紹了無(wú)人船的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì),通信方式使用Wi-Fi,地面站和無(wú)人船之間的傳輸層協(xié)議使用UDP協(xié)議,應(yīng)用層協(xié)議使用MAVLink協(xié)議。介紹了核心處理器和其它設(shè)備之間通信接口的實(shí)現(xiàn),即串口通信和12C通信在Linux平臺(tái)下的編程實(shí)現(xiàn)。最后,介紹了無(wú)人船整個(gè)船載系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),使用硬件抽象層、模塊層、配置層三層的軟件結(jié)構(gòu),然后劃分出不同的任務(wù)模塊,使用Linux多線程來(lái)實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行,著重介紹了通信任務(wù)、姿態(tài)任務(wù)、GPS任務(wù)、控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。使用c#編寫了地面站軟件的測(cè)試版本,并進(jìn)行了下水實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U666.1

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