摘 要

近年来，无人船的研究逐渐成为船舶发展的技术趋势。自动控制航向是无人船的核心技术。本文重点研究无人船的航迹自主控制算法,并设计航向跟踪控制器，使无人船按照期望航迹行驶，为未来的无人船发展开展积极探索。

为了达到无人船航向轨迹自动控制的目的，介绍了无人船轨迹控制的方法，并且对航迹偏差和方向位置等进行了计算；为了模拟无人船水上航行的现实环境，建立了数学模型，并对海上环境的海浪、海风和海流等干扰因素也进行了建模；针对航迹控制，运用PID控制算法进行航向跟踪控制器的设计；借助下的仿真软件对PID算法航向控制系统进行了可视化仿真模拟。所得到的结果对于无人船自动控制有着非常重要的意义。

研究结果表明，在有海风、海流和海浪等一系列海上环境因素干扰的情况下，PID航向跟踪控制器也能够控制无人船，并达到很好的自动跟踪控制效果。

关键词：航向控制；无人船；PID控制算法；可视化仿真；

Abstract

The research of unmanned vessel has gradually becomes the main trend of the development of the ship technology. The function of automatic control of the course is the core of the unmanned ship. The emphasis of this paper is to study the design of the unmanned ship's autonomous control algorithm to design the heading tracking controller, so that the unmanned vessel can travel in the desired track and provide favorable information for the future development of unmanned ship.

In order to achieve the goal of automatic control of unmanned ship heading trajectory. Firstly, the paper introduces the unmanned ship trajectory control method, and calculation of the tracking error, direction and position. Subsequently to simulating unmanned vessel sailing on the water the realistic environment, we established mathematical model and the marine environment waves, winds, currents and other interference factors were also modeled. Then use PID control algorithm to design the course tracking controller, and finally with the visual simulation software to simulate the PID algorithm course control system.

The results of the study showed that, even in a series of marine environmental factors, such as the sea breeze, ocean currents, waves that interfere with. PID course tracking controller can also control unmanned vessel get a good automatic tracking control effect

Key Words: Track Control; Unmanned Vessel; PID Control Algorithm; Visual Simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 无人船的国内外研究现状 2

1.2.2 可视化仿真的发展概述 4

1.3 本文研究内容 5

第二章 无人船航迹控制系统数学建模 6

2.1 坐标系的建立和海上无人船运动参数的表达 6

2.1.1 无人船运动坐标系 6

2.1.2 无人船运动参数表示 7

2.1.3 无人船相关参数在两大参考系中的转化 8

2.2 海洋环境干扰模型 9

2.2.1 风力干扰模型 9

2.2.2 海浪干扰模型 11

2.3 操舵伺服系统数学模型 13

2.4 无人船的数学模型 14

2.5 本章小结 17

第三章 PID算法的航迹跟踪控制器设计 19

3.1 轨迹控制研究 19

3.1.1 航迹控制实现方案 19

3.1.2 轨迹控制 19

3.2 无人船航行计算 20

3.2.1 无人船方位计算 20

3.2.2 无人船航迹偏差计算 20

3.3 PID控制的基本原理 22

3.4 数字PID控制 23

3.5 PID航迹跟踪控制器设计 24

3.6 本章小结 25

第四章 无人船航迹跟踪控制仿真 26

4.1 无人船航向跟踪控制可视化仿真 26

4.1.1 仿真参数获取 26

4.1.2 可视化仿真图 27

4.2 无人船航向跟踪控制器可视化仿真效果图 30

4.3 本章小结 35

第五章 结论 36

参考文献 37

致 谢 38

第一章 绪论

1.1 目的及意义

由于陆地资源数量的日渐消退，人们赖以生存的家园逐渐向海洋过渡。日益重要的海洋核心竞争力使资源成为海洋开发的重要内容。我国是一个海洋国土范围辽阔的国度，“中国是个海洋大国，但不是个海洋强国。”我国的海域从北到南一直是争端不断，北面与俄罗斯有珍宝岛争端，在东海和日本有钓鱼岛和东海大陆架油田的争端，在南海跟越南、菲律宾的岛屿争端更是数不胜数^[1]。

当今时代科学技术正朝着多系统化、智能化和无人化等方向逐渐发展，例如：无人车、无人船等等这些无人控制的智能化的科技设备正不断发展。我国对这一科学研究和项目技术很是看重，投入了非常多的资源、经费以及科学人才，对这方面的研究也有了一定程度的绩效。但是我国在无人船的研究方向上起步不久，有许多的技术问题还处于有待解决的情况。

无人船，拥有例如远程操纵，深测侦察，智能化通信，阻滞清除等多种优势性能，它的优秀性能尤其体现在处在繁杂，凶险以及未知的环境当中。航行控制器是海上无人船的最重要与核心的部分，它性能的优秀与糟糕以及智能化程度直接与完成任务的成功与失败相关联。为了让海上无人船在实际工作过程中充分发挥其作用，需要进深层的进行研究并且制造出拥有优秀性能的航行控制器。