摘 要

近些年来，全球都对海洋发展越来越重视，伴随着海洋生产生活的越来越频繁，各种生产活动和安全活动都对船舶性能提出了更高的要求；为了在这一领域占有先行权，各国都使用各种新式船舶进行海洋开发。目前我国海洋业务也处于飞速发展之中，我国在研发高海况下的新式船舶领域也是进行的如火如荼，十分火热。而近些年来，我国在发展无人驾驶领域如空运、陆运等方面都取得了极大的进展,但在此背景下，我国对于开发无人驾驶船（Unmanned Surface Vehicles，简称为USV）还处于初级阶段。USV作为一种新型的智能运载体，在许多领域都有广阔的发展前景，建立一艘无人驾驶船舶的数学模型是进行无人船运动模拟的基础，在此基础上，才可以模拟调查无人船的各项性能，以及进行无人船运动控制和轨迹导航的研究。

在此研究背景下，本文重点通过对无人船的运动学及动力学模型进行建模，并基于微分的思想，将无人船复杂环境下的运动转化为一个低速的和直线的运动，以此来减少所需考虑的参数量，并据此对其数学模型进行优化；然后在严谨的数学框架下设计仿真实验，并利用控制率优化其模型参数，利用Matlab软件做仿真实验的验证，对相应动力学的仿真结果进行讨论。

关键词：无人船；运动模型；数学模型；运动仿真

Abstract

In recent years, the world has paid more and more attention to marine development. With the increasing frequency of marine production and life, various production activities and safety activities have put forward higher requirements on ship performance. In order to have the right of way in this field, countries are using all kinds of new ships for marine development. At present, China marine business is also in rapid development, China research and development in the high sea situation of the new ship field is also in full gear, very hot. In recent years, China has made great progress in developing Unmanned Surface Vehicles, such as air transportation and land transportation. However, against this background, China is still in the early stage of developing Unmanned Surface Vehicles (USV). As a new intelligent carrier, USV has a broad development prospect in many fields. The establishment of a mathematical model of an unmanned ship is the basis for the motion simulation of unmanned ship. On this basis, it is possible to simulate and investigate various performances of unmanned ship, as well as research on the motion control and trajectory navigation of unmanned ship.

Under the background of the study, this paper based on the kinematics and dynamics model of unmanned ship modeling, and its mathematical model is optimized, and then under the rigorous mathematical framework design simulation experiment, and control was used to optimize the model parameters, using software Matlab to do simulation experiment validation, the dynamics of the corresponding simulation results are discussed.

Key Words: Unmanned surface ; Motion model; Mathematical model; Motion simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 无人船的研究背景及特点 1

1.2 无人船的国内外研究现状 1

1.3 研究无人船运动学模型的意义 2

1.4 建立无人船数学模型的意义 3

1.5 本文的主要内容 3

第二章 无人船运动数学模型及控制方法 5

2.1 无人驾驶船舶的空间运动模型 5

2.1.1 模型假设 5

2.1.2 建立坐标系 5

2.1.3 建立运动学模型 5

2.2 无人船的水平面运动数学模型 6

2.2.1 标准运动模型 6

2.2.2 运动模型的简化分析 8

2.3 无人船的运动控制器设定 8

2.3.1 Backstepping算法 8

2.3.2 Lyapunov直接法 9

2.3.3 引入误差变量 9

第三章 仿真实验 11

3.1 仿真实验模型 11

3.2 仿真与参数调试 11

3.3 仿真结果 12

第四章 结论与展望 17

4.1 本次设计的结论 17

4.2 对无人船设计的展望 18

参考文献 19

附录 21

附A1 21

附A2 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 无人船的研究背景及特点

无人船(Unmanned Surface Vehicles，简称USV)，是一种在无人操控的情况下能够自主航行，完成任务的智能船舶，目前已经有了70多年的历史，就像它的好兄弟无人驾驶车和无人驾驶机一样，都是随着无人驾驶技术的发展而在其相应行业蓬勃发展，并且在各自领域具有广阔的发展和应用前景。再这样一个全球化的时代，无论是为了智能控制小型船舶完成各项任务，还是探寻难以探索的水域，又或是为了节约人力，都离不开船舶无人驾驶领域，由此可见，无人船的开发与研究很有潜力，未来的水运项目一定会向着无人驾驶船发展，无人驾驶船舶的研究和应用势必将对水运行业产生重大影响，综上所述，开发无人船是十分必要的。

无人船作为一个无人海洋运载平台，同其它无人驾驶器材一样，在以下方面特点突出^[3][12]：

1. 智能化：USV 通过人进行远程智能化控制，还可以根据预设的程序自动执行任务；
2. 生存力强：USV结构简单，不需要载人，有动力能运行即可；
3. 活动范围广：USV可以胜任各种其他载人船舶不能活动的海况；
4. 经济性：USV对运行环境的要求很低，且成本低廉可长期使用；
5. 便捷性：USV船体结构小，可以方便投放使用，并且可以通过更换模块满足不同使命的要求；
6. 艇型丰富：作为无人船，在船型方面几乎没有限制，可以根据需要作出多种多样的船型设计，适用于各种动力装置；
7. 机动性好；
8. 便于作为信息化载体；

基于以上这些优点，USV 可以同时满足包括信息传递、环境勘测、动力测试、仿真实验、长期监控等各种工作，具有广阔的应用前景；而缺点是受信号影响较大，全部靠远程操控，有些地方不能进行细微的控制，控制律的实现受科技水平的发展较大。

1.2 无人船的国内外研究现状

目前，我国对于无人驾驶领域的发展十分重视，在复杂海况下的作业又太过昂贵，所以亟需无人艇的发展作为支撑，而无人艇的控制问题一直是系统设计人员面临的一大挑战，特别是在水下航行器欠驱动和参数不确定性较大的情况下；从这个概念上看，这个问题是相当丰富的，用来解决它的工具必须借用坚实的非线性控制理论^[1]。