水面无人艇操纵运动模式辨识系统设计分析
摘 要摘 要水面无人艇是现代智能化技术下的产物，受到国内外研究人员的广泛关注。对于水面无人艇的研究也成了许多国际的重点研究项目。以此，本文设计出一种三体船模，进行了船型选择和参数的计算，设计了推进系统和操作系统。制作船模并进行推进和操作系统的安装，且通过计算机程序进行三体船的无人操控从而能过进行三体船的操纵性试验。试验以三体船和舵角为变量进行回转试验，测量实验过程中船模的回转直径和回转时间。并且编制了一套混沌遗传优化的算法对三体船的操作运动模式进行了分析。通过设定的目标函数，得到了对应目标函数的待辨识参数。利用计算机程序进行分析，通过辨识结果和试验结论来验证辨识方法的可靠性,同时讨论了舵角和初始航速对于船舶操纵性的影响。关键词：无人艇；船模试验；操纵运动；系统辨识；优化；目 录
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 课题背景 1
1.2.1国外发展 1
1.2.2 国内发展 2
1.3 论文研究的目的和意义 3
第2章 船型选择和论证 5
2.1船模型选择 5
2.1.1主船体选型 5
2.1.2侧体选择 5
2.1.3三体船的主尺度 5
2.2 静水力计算 6
2.3 螺旋桨的计算 18
2.4 操纵系统设计 20
2.4.1操纵性标准 20
2.4.2舵叶的设计 20
2.4.3舵的数目和安装形式的选择 21
2.4.4舵机选择 21
第3章 船模制作 25
3.1船模制作 25
3.2 核心控制器 27
3.3 实验设备和仪器 29
3.3.1 GPS 29
3.3.2三维电子罗盘 29
3.3.3 MTI 29
3.4 自主航行系统 29
第4章 三体水面无人艇操纵运动数学模型 31
4.1 引言 31
4.2系统辨识 31
4.2.1系统辨识简介 31
4.2.2 三要素的简介 31
4.2.3系统辨识
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
3.1 GPS 29
3.3.2三维电子罗盘 29
3.3.3 MTI 29
3.4 自主航行系统 29
第4章 三体水面无人艇操纵运动数学模型 31
4.1 引言 31
4.2系统辨识 31
4.2.1系统辨识简介 31
4.2.2 三要素的简介 31
4.2.3系统辨识的原理 32
4.2.4辨识步骤 34
4.2.5 最小二乘法 35
4.3优化方法 35
4.3.1传统优化算法 35
4.3.2遗传算法 36
4.4 目标函数的设定 39
第5章 试验 41
5.1实验过程 41
5.2系统辨识分析 44
总结和展望 47
致 谢 49
参考文献 50
第1章 绪论
1.1引言
近些年来，科学技术特别是计算机智能处理信息的能力飞速发展，为无人机的开发提供了良好的科学基础，人们对于无人驾驶等设备越发重视，使得它有了长足的发展。尤其是在在军事方面，无人机逐渐崭露头角。
的确，无人机有许多的优点，比如进行远程空中监视或者执行攻击任务。然而相较于水面无人艇，无人机也存在这问题。比如无人机的回收和使用，在这方面比无人艇要繁琐并且所需要的费用也昂贵。相比之下，无人艇不但有许多突出的优点，而且在某些特殊环境能发挥它的作用。
智能水面无人艇，指的是那些远通过程操控或智能化在水面航行的小型作战平台，用来执行危险以及不适于有人船只执行的任务[1]。借由大型舰艇携载投放到目标地点，或者在近岸执行巡逻保护友方船只作用。相较于传统的舰船，无人艇有其特有的优势：功能模式多种化，作战方式灵活化，艇体结构隐蔽化，作战人员伤亡少，网络作战中心化。
正是拥有这么多的优点，人们对于无人艇也投入越来越多的精力，将各种船型取长补短以获得最佳的航行性能，例如杂交三体船燃油经济性极佳[2][3]这已经成为各国高性能船舶设计工作者研究开发的新课题[4]。也是保护海洋国土安全的重要措施，无论是主观还是客观，发展无人艇技术将是我国船舶领域未来重要的发展方向。
1.2 课题背景
1.2.1国外发展
无人水面艇并不是一个新的概念，它的历史可以追溯到二战时期。二战结束后，水面艇仅仅用来执行扫雷和战场损伤评估等任务。或者在原子弹爆炸后，均采集受辐射的水体的样本。?
到20世纪60年代，苏联研发出一种小型遥控式无人艇，他通过撞击敌方舰艇来实现爆炸式攻击。在这期间，美国也发明了一种遥控扫雷艇，配备到第113水雷分队，进行扫除鱼雷的工作。但在接下来的10几年间，科学技术无法满足无人艇发展的需要，导致无人艇并没有得到实质性的发展。Manley和Veers总结了自1993年到2008年的15年无人艇内无人艇的研究历史，现状以及发展趋势[5][6]。20世纪90年代，美国研制出一种无人艇来进行了海上作业。美国还提出了一种三体船型水面无人艇的概念设计[7]。一直到海湾战争后，计算机智能化和信息处理技术的飞速发展，在科学技术的支持下的无人艇得到飞速发展。西方发达国家纷纷投入大量人力物力发展这项技术，无人艇作战方式也趋于多元化，不仅仅只是执行巡逻，扫雷等简单的任务。它越来越多的被运用到反恐，缉私，搜捕，通信等多个领域。世界各国在研无人水面艇的基本情况：
对于水面无人艇的研发，美国等发达国家是处于领先地位。从事研制单的位是大型军火企业、高校实验室和军方研究单位等，而这其中是以军火企业为主。这些无人艇在技术方面已经达到成熟的地步，且其智能化水平也相对较高，还能实现规划安全和高效路径的功能[8],同时允许自主或手动避障[9]。大部分研究的无人艇都是小型的，这是由于小型无人艇成本比较低廉，用途广泛，性价比相对来说很高。例如Konstantin[10]研究出一种混合三体船，较于高速渡轮和作战舰艇在高速航行时拥有更好的舒适性并且效率更高。从长远发展角度来看，未来无人艇的规模将会扩大。航速方面，根据无人艇的功能不同，速度差别也比较大。
目前世界上成熟的智能水面无人艇一共有63种左右，其中半数以上是从事军事方面的任务，剩下的主要从事石油和天然气行业，还有少数用于科学研究。与军事方面的无人艇不同，民用无人艇更加侧重于灵活性，用于执行不同的任务。在任务方面，无人艇执行的任务还是相对有限的，主要是海洋国土安全、情报监视侦察（ISR）、反水雷和环境调查等领域。现役的无人艇主要都用于搜集情报、环境收集、排雷、海洋安全和训练等。对于在恶劣环境下执行任务，水面作战，布置水雷等方面还是利用较少。
1.2.2 国内发展
由于国外长期对我国进行技术封锁[11]，对于水面无人艇的研究，我国目前还处于初步阶段。虽然中华造船厂曾经建造了一艘无人遥控扫雷艇，但采用技术相对落后，远远滞后于西方先进国家。在智能控制方面，吴恭兴[12]等人设计了一种简单且实用的嵌入式自主驾控系统的软件体系结构。哈尔滨工程大学的卢艳爽[13]和饶森[14]针对无人艇的路径规划进行了较为系统的研究。而江苏科科技大学的庄肖波[15]等人提出了基于蚁群算法的避碰规避方法。船型方面，江苏科技大学[16]发明了一种复合三体船。苏健[17]等人定义复合三体船其主要特征是前部为三个尖瘦的船
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 课题背景 1
1.2.1国外发展 1
1.2.2 国内发展 2
1.3 论文研究的目的和意义 3
第2章 船型选择和论证 5
2.1船模型选择 5
2.1.1主船体选型 5
2.1.2侧体选择 5
2.1.3三体船的主尺度 5
2.2 静水力计算 6
2.3 螺旋桨的计算 18
2.4 操纵系统设计 20
2.4.1操纵性标准 20
2.4.2舵叶的设计 20
2.4.3舵的数目和安装形式的选择 21
2.4.4舵机选择 21
第3章 船模制作 25
3.1船模制作 25
3.2 核心控制器 27
3.3 实验设备和仪器 29
3.3.1 GPS 29
3.3.2三维电子罗盘 29
3.3.3 MTI 29
3.4 自主航行系统 29
第4章 三体水面无人艇操纵运动数学模型 31
4.1 引言 31
4.2系统辨识 31
4.2.1系统辨识简介 31
4.2.2 三要素的简介 31
4.2.3系统辨识
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
3.1 GPS 29
3.3.2三维电子罗盘 29
3.3.3 MTI 29
3.4 自主航行系统 29
第4章 三体水面无人艇操纵运动数学模型 31
4.1 引言 31
4.2系统辨识 31
4.2.1系统辨识简介 31
4.2.2 三要素的简介 31
4.2.3系统辨识的原理 32
4.2.4辨识步骤 34
4.2.5 最小二乘法 35
4.3优化方法 35
4.3.1传统优化算法 35
4.3.2遗传算法 36
4.4 目标函数的设定 39
第5章 试验 41
5.1实验过程 41
5.2系统辨识分析 44
总结和展望 47
致 谢 49
参考文献 50
第1章 绪论
1.1引言
近些年来，科学技术特别是计算机智能处理信息的能力飞速发展，为无人机的开发提供了良好的科学基础，人们对于无人驾驶等设备越发重视，使得它有了长足的发展。尤其是在在军事方面，无人机逐渐崭露头角。
的确，无人机有许多的优点，比如进行远程空中监视或者执行攻击任务。然而相较于水面无人艇，无人机也存在这问题。比如无人机的回收和使用，在这方面比无人艇要繁琐并且所需要的费用也昂贵。相比之下，无人艇不但有许多突出的优点，而且在某些特殊环境能发挥它的作用。
智能水面无人艇，指的是那些远通过程操控或智能化在水面航行的小型作战平台，用来执行危险以及不适于有人船只执行的任务[1]。借由大型舰艇携载投放到目标地点，或者在近岸执行巡逻保护友方船只作用。相较于传统的舰船，无人艇有其特有的优势：功能模式多种化，作战方式灵活化，艇体结构隐蔽化，作战人员伤亡少，网络作战中心化。
正是拥有这么多的优点，人们对于无人艇也投入越来越多的精力，将各种船型取长补短以获得最佳的航行性能，例如杂交三体船燃油经济性极佳[2][3]这已经成为各国高性能船舶设计工作者研究开发的新课题[4]。也是保护海洋国土安全的重要措施，无论是主观还是客观，发展无人艇技术将是我国船舶领域未来重要的发展方向。
1.2 课题背景
1.2.1国外发展
无人水面艇并不是一个新的概念，它的历史可以追溯到二战时期。二战结束后，水面艇仅仅用来执行扫雷和战场损伤评估等任务。或者在原子弹爆炸后，均采集受辐射的水体的样本。?
到20世纪60年代，苏联研发出一种小型遥控式无人艇，他通过撞击敌方舰艇来实现爆炸式攻击。在这期间，美国也发明了一种遥控扫雷艇，配备到第113水雷分队，进行扫除鱼雷的工作。但在接下来的10几年间，科学技术无法满足无人艇发展的需要，导致无人艇并没有得到实质性的发展。Manley和Veers总结了自1993年到2008年的15年无人艇内无人艇的研究历史，现状以及发展趋势[5][6]。20世纪90年代，美国研制出一种无人艇来进行了海上作业。美国还提出了一种三体船型水面无人艇的概念设计[7]。一直到海湾战争后，计算机智能化和信息处理技术的飞速发展，在科学技术的支持下的无人艇得到飞速发展。西方发达国家纷纷投入大量人力物力发展这项技术，无人艇作战方式也趋于多元化，不仅仅只是执行巡逻，扫雷等简单的任务。它越来越多的被运用到反恐，缉私，搜捕，通信等多个领域。世界各国在研无人水面艇的基本情况：
对于水面无人艇的研发，美国等发达国家是处于领先地位。从事研制单的位是大型军火企业、高校实验室和军方研究单位等，而这其中是以军火企业为主。这些无人艇在技术方面已经达到成熟的地步，且其智能化水平也相对较高，还能实现规划安全和高效路径的功能[8],同时允许自主或手动避障[9]。大部分研究的无人艇都是小型的，这是由于小型无人艇成本比较低廉，用途广泛，性价比相对来说很高。例如Konstantin[10]研究出一种混合三体船，较于高速渡轮和作战舰艇在高速航行时拥有更好的舒适性并且效率更高。从长远发展角度来看，未来无人艇的规模将会扩大。航速方面，根据无人艇的功能不同，速度差别也比较大。
目前世界上成熟的智能水面无人艇一共有63种左右，其中半数以上是从事军事方面的任务，剩下的主要从事石油和天然气行业，还有少数用于科学研究。与军事方面的无人艇不同，民用无人艇更加侧重于灵活性，用于执行不同的任务。在任务方面，无人艇执行的任务还是相对有限的，主要是海洋国土安全、情报监视侦察（ISR）、反水雷和环境调查等领域。现役的无人艇主要都用于搜集情报、环境收集、排雷、海洋安全和训练等。对于在恶劣环境下执行任务，水面作战，布置水雷等方面还是利用较少。
1.2.2 国内发展
由于国外长期对我国进行技术封锁[11]，对于水面无人艇的研究，我国目前还处于初步阶段。虽然中华造船厂曾经建造了一艘无人遥控扫雷艇，但采用技术相对落后，远远滞后于西方先进国家。在智能控制方面，吴恭兴[12]等人设计了一种简单且实用的嵌入式自主驾控系统的软件体系结构。哈尔滨工程大学的卢艳爽[13]和饶森[14]针对无人艇的路径规划进行了较为系统的研究。而江苏科科技大学的庄肖波[15]等人提出了基于蚁群算法的避碰规避方法。船型方面，江苏科技大学[16]发明了一种复合三体船。苏健[17]等人定义复合三体船其主要特征是前部为三个尖瘦的船
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