發(fā)布時間：2017-09-20 02:10

  本文關(guān)鍵詞：面向監(jiān)測與探測應用的水面自主航行器設(shè)計

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【摘要】：水面自主航行器(Autonomous Surface Vehicle,ASV)具有無人化、小型化和智能化的優(yōu)點,在水質(zhì)監(jiān)測、污染源跟蹤、水下目標探測等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景,因此已經(jīng)成為學術(shù)界和工程技術(shù)界的研究熱點。目前,市場上的水面自主航行器多采用GPS單點定位,定位精度不高,而且以遙控工作方式為主,自主航行功能不夠完善。本課題研制了一種面向水質(zhì)監(jiān)測和目標探測的水面自主航行器,采用北斗RTK定位技術(shù),顯著提高了定位精度,同時設(shè)計了航行器控制算法和路徑規(guī)劃方法,有效提高了航行器的智能性和自主航行性能。本文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新之處如下：(1)研制了高性能的水面自主航行器。①采用北斗Ⅱ載波相位差分測量技術(shù),定位精度1-2厘米,測向精度0.2～0.3度,從而為自主航行奠定了堅實的基礎(chǔ)；②采用雙動力系統(tǒng),即水下螺旋槳和水上風輪,保證了動力穩(wěn)定。螺旋槳作為主動力,風輪作為輔助動力。這不僅提高了最大航行速度,而且在主動力失效(擱淺和機械故障)的情況下,通過輔助動力保證航行器正常航行；③在視頻避障的基礎(chǔ)上,增加了微波雷達探測功能,不僅可以探測到障礙物,而且可以檢測障礙物的距離和速度,從而使航行器具有更強大的避障功能；④采用超短波通信和北斗報文通信相結(jié)合的雙通道通信方式。在超短波通信范圍以外,以北斗短報文通信方式繼續(xù)控制航行器,可以避免航行器失聯(lián)。(2)提出了一種維諾圖構(gòu)造的水面自主航行器路徑規(guī)劃方法(發(fā)明專利已公布)。將本課題設(shè)計的自主航行器作為移動基站應用于水面無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集,提出了維諾圖構(gòu)造的水面移動基站路徑規(guī)劃方法。該方法首先基于維諾圖理論生成候選路徑集合,然后以同心圓方式由外而內(nèi)形成優(yōu)化路徑。該路徑不僅可以保證移動基站收集到所有傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù),而且可以節(jié)約網(wǎng)絡通信能耗。
【關(guān)鍵詞】：水面自主航行器 北斗導航 雙動力 微波雷達 路徑規(guī)劃
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U674
【目錄】：

• 致謝6-7
• 摘要7-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 引言15
• 1.2 水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-19
• 1.3 水面自主航行器研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3.1 水面自主航行器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3.2 水面自主航行器功能、技術(shù)的局限性20
• 1.4 論文主要工作20-23
• 1.4.1 課題來源21
• 1.4.2 課題目的21
• 1.4.3 課題意義21-22
• 1.4.4 論文章節(jié)安排22-23
• 第二章 航行器系統(tǒng)設(shè)計23-55
• 2.1 總體設(shè)計方案23-24
• 2.2 航行器系統(tǒng)硬件設(shè)計24-33
• 2.2.1 處理器模塊24-25
• 2.2.2 傳感器模塊25-26
• 2.2.3 動力驅(qū)動模塊26-27
• 2.2.4 北斗定位模塊27-28
• 2.2.5 無線通信模塊28
• 2.2.6 射頻通信模塊28-29
• 2.2.7 視頻采集模塊29
• 2.2.8 雷達測距模塊29-31
• 2.2.9 水下聲學檢測模塊31-33
• 2.2.10 電源模塊33
• 2.3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計33-41
• 2.3.1 傳感器數(shù)據(jù)的采集34-35
• 2.3.2 RTK定位數(shù)據(jù)的獲取35-37
• 2.3.3 傳感器數(shù)據(jù)以及北斗定位數(shù)據(jù)的傳輸37-39
• 2.3.4 動力驅(qū)動39-40
• 2.3.5 微波雷達測距40-41
• 2.4 航行器控制算法設(shè)計41-49
• 2.4.1 PID算法簡介41-43
• 2.4.2 數(shù)字PID控制算法43-44
• 2.4.3 改進型增量PID算法44-45
• 2.4.4 航行器自主航行45-49
• 2.5 航行器遠程監(jiān)測中心設(shè)計49-54
• 2.5.1 相關(guān)數(shù)據(jù)顯示49-50
• 2.5.2 遙操作50-51
• 2.5.3 Google Earth定位結(jié)果可視化51-54
• 2.6 本章小結(jié)54-55
• 第三章 維諾圖構(gòu)造的水面移動基站路徑規(guī)劃方法55-65
• 3.1 問題描述55-57
• 3.2 維諾圖理論生成候選子路徑集合57
• 3.3 以同心曲線的方式形成優(yōu)化路徑57-62
• 3.4 流程圖描述62
• 3.5 實驗62-64
• 3.6 本章小結(jié)64-65
• 第四章 系統(tǒng)測試與實際應用65-72
• 4.1 系統(tǒng)測試65-68
• 4.1.1 傳感器功能測試65-66
• 4.1.2 RTK定位結(jié)果精度測試66
• 4.1.3 無線通信模塊測試66
• 4.1.4 遙操作測試66-67
• 4.1.5 雷達測距測試67
• 4.1.6 自主航行測試67-68
• 4.2 實際應用68-71
• 4.3 本章小結(jié)71-72
• 第五章 總結(jié)與展望72-74
• 5.1 全文總結(jié)72
• 5.2 未來工作展望72-74
• 參考文獻74-79
• 攻讀碩士學位期間的學術(shù)活動及成果情況79

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本文編號：885270