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小型水面无人船航行状态感知系统研究

陈真义  
【摘要】:随着中国经济的不断发展,航运事业迅猛发展。建设畅通、高效、平安、绿色的现代化内河航运体系已上升为国家战略。由于海事机构人员编制、装备有限,安全监管巡航成本高、覆盖面小,现有的船艇装备无法在高危环境下开展巡航搜救或应急反应,制约了海事业务的发展。开展无人船的研究,有助于提升海事巡航搜救能力和效率,为“航行更安全和海洋更清洁”做出重要贡献。 获取无人船的航行状态信息是实现无人船智能航行的基础。无人船航行控制的有效性在很大程度上依赖于准确的航行状态信息。本文完成的主要工作如下: (1)本文根据无人船航行控制需求,提出了一套无人船航行状态感知系统。该系统采用高精度惯导传感器,由三轴正交的加速度计和MEMS(MicroElectro Mechanical Systems)陀螺仪分别感应x轴、y轴、z轴的加速度和角速度。该系统可实现对在航无人船舶三个轴向的加速度和俯仰角、横倾角、航向角的连续测量,也可用于速度和位置的动态计算。同时完成了系统供电单元的设计以及相关传感器的安装布设等。 (2) MEMS陀螺仪的随机噪声很大程度上影响了航行状态感知系统的标定精度。由于MEMS陀螺信号是一种非平稳随机信号,随机噪声大,传统去噪方法已经达不到预定的效果。本文利用小波变换阈值去噪方法对MEMS陀螺数据进行去噪处理,并采用Allan方差法方法对去噪前后的测试数据进行比较分析。 (3)本文对无人船航行状态信息感知系统软件的界面、模块、功能进行了设计。从框架上说,软件分为CAN通信模块、接收回显模块、数据解析与显示模块、数据存储模块。通过这些模块实现CAN通信、状态信息实时显示、数据信息记录入库等任务。 (4)系统构建完成之后,由于安装误差,惯导传感器所在的数字坐标系与无人船所在的载体坐标系不重合。通过无人船一段时间在水中静置,来辨识两个坐标系的重合误差,将数字坐标系中的三轴姿态角转换为无人船的姿态角,并对船舶初始位置进行校准。本文对该系统进行了多次实船搭载实验,对试验数据进行处理,验证了系统的有效性。


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