發(fā)布時間：2020-09-27 10:22

　　 在國家大力建設(shè)海洋強國的大環(huán)境下,提升海上軍事裝備的智能程度是提升整體裝備水平的一大核心。同時各種交通工具的無人化也成為當前發(fā)展的主流趨勢,每年都會有大量的資金和人力投入到其中,在這方面移動機器人的研究相對較為成熟,而對于水面艇的智能化發(fā)展還處于起步階段。本文設(shè)計一種小型水面艇以實現(xiàn)目標跟蹤與避障的任務(wù)為目標,獨立自主的設(shè)計目標跟蹤與目標定位算法,針對跟蹤過程中水面環(huán)境存在障礙物的情況,對小型水面艇的航行路徑予以規(guī)劃,規(guī)劃出一條能使小型水面艇從當前位置跟蹤上目標的安全且可以對路徑上的障礙進行規(guī)避的無碰路徑。本文首先針對實驗所用的小型水面艇建立控制模型,在三自由度的小型水面艇運動模型的基礎(chǔ)上,經(jīng)過推到分析得到小型水面艇的操縱響應(yīng)方程:Nomoto模型,并通過實驗得到所用小型水面艇Nomoto模型的參數(shù)。接著在小型水面艇上通過單目攝像頭實現(xiàn)對目標的跟蹤與定位,基于KCF(核相關(guān)濾波)算法實現(xiàn)小型水面艇對目標的跟蹤,并提出一種基于單目攝像頭的目標定位算法,針對跟蹤過程中可能出現(xiàn)的目標丟失的問題,利用不同幀之間的響應(yīng)值的關(guān)系,對目標是否丟失進行判斷,將目標消失后又重新出現(xiàn)在攝像頭視野時將前后兩幀做差,得到殘差圖像并對其進行二值化處理,然后通過K-Means算法重新對目標進行檢測,實現(xiàn)對精確模型的重新建立,以此實現(xiàn)對丟失目標的重新跟蹤。然后對于小型水面艇航行過程中遇到障礙物的問題,采用人工勢場法對其徑進行規(guī)劃,針對傳統(tǒng)人工勢場法存在的目標附近有物導(dǎo)致目標位置不可達以及易陷入局部極小值點的缺陷,通過改寫斥力勢場函數(shù)以及在引力勢場函數(shù)中引入振蕩函數(shù),提出一種改進的人工勢場法對小型水面艇的航行進行路徑規(guī)劃。并以小型水面艇的控制模型為根據(jù)設(shè)計小型水面艇的基于自抗擾算法的航向控制器,通過MATLAB仿真驗證其有效性。最后為了驗證所提出的方法對于小型水面艇目標跟蹤與避障的任務(wù)是否有效,對小型水面艇的總體結(jié)構(gòu)進行分析,并分別從軟硬件兩方面入手,對系統(tǒng)進行設(shè)計。最終通過實船實驗,在水面有障礙物和沒有障礙物兩種情況下,做小型水面艇對目標的跟蹤實驗,從而驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的有效性和可行性。
【學位單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U664.82;U675.96
【部分圖文】：

“Spartan”系列USV

圖 1.2 “Spartan”系列 USV 海上監(jiān)控圖像（2）以色列同時期，以色列對水面無人艦艇的研究也絲毫不遜色于美國[4]。2005 年，“Protec水面無人艦艇于以色列成功問世，其技術(shù)水平可以說已經(jīng)達到世界頂級水準rotector”號的船體屬性是剛性充氣艇，其制導(dǎo)模式為遙控模式，艦艇全長 9 米，在實踐演練等場合測試其航速平均能夠達到 50 節(jié)高速。此外，艦艇上的雷達、傳感器示器和遙控系統(tǒng)等均為當時全球先進設(shè)備，可應(yīng)用光電指示監(jiān)控敵軍，實現(xiàn)自主作目的，同時“Protector”號 USV 還能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控作戰(zhàn)、自主式巡邏等目的。

圖 1.4 韓國“海劍”無人偵察艇近年來遭遇的恐怖襲擊和別國入侵等事件，加大了新型研制成無人水面艦艇和水下潛艇兩部分相結(jié)合，實現(xiàn)更現(xiàn)在水域全面搜查水雷、監(jiān)視地方艦隊等目的。圖 1.5 日本“Aquarius”號 USV現(xiàn)狀要研究新型水面無人艦艇的研究機構(gòu)有：中國航天科工等單位，USV 也是我校哈爾濱工程大學的主要研究領(lǐng)域

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 Mei-qin LIU;Hai-yang CHEN;Sen-lin ZHANG;;一類時變時滯非線性系統(tǒng)的H_∞參考跟蹤控制設(shè)計（英文）[J];Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering;2015年09期

2 林平;;無人駕駛船舶規(guī)模應(yīng)用指日可待[J];交通與運輸;2015年03期

3 劉艷;李騰飛;;對張正友相機標定法的改進研究[J];光學技術(shù);2014年06期

4 孟鋼;姜志國;趙丹培;;梯度方向直方圖和子流形在目標跟蹤中的應(yīng)用[J];紅外與激光工程;2012年06期

5 胡圣武;;對高斯投影分帶的研究[J];地理空間信息;2012年01期

6 周游;王慶林;邱德慧;;性能評價方法在ADRC參數(shù)整定中的應(yīng)用[J];北京理工大學學報;2011年10期

7 于芳;李祖樞;王牛;;一種全自主足球機器人單目視覺定位的新方法[J];計算機測量與控制;2007年12期

8 肖本賢;余雷;李善壽;陳榮保;;逃逸人工勢場法局部極小值策略的研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2007年19期

9 劉健,劉高峰;高斯-克呂格投影下的坐標變換算法研究[J];計算機仿真;2005年10期

10 李浩源;以色列海軍潛艇力量[J];當代海軍;2004年05期

相關(guān)會議論文 前1條

1 何曉蘭;姜國權(quán);杜尚豐;;基于平面模板的攝像機標定方法[A];2007年中國智能自動化會議論文集[C];2007年

相關(guān)碩士學位論文 前6條

1 保富;基于局部特征提取的目標檢測與跟蹤技術(shù)研究[D];中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所);2017年

2 邢衛(wèi)國;基于相關(guān)濾波的視覺跟蹤算法研究[D];南京信息工程大學;2016年

3 史微微;無人水面艇直線路徑跟蹤控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[D];大連海事大學;2016年

4 葉偉銓;無人車的自主導(dǎo)航與控制研究[D];華南理工大學;2016年

5 劉銘;基于模糊推理的PID參數(shù)整定算法的研究[D];吉林大學;2012年

6 孫凌麗;船舶運動的風浪影響建模與仿真研究[D];哈爾濱工程大學;2010年

本文編號：2827752