光电指引航行的无人艇设计及功能实现研究
摘 要摘 要水面无人艇作为一种新型的水面平台，具备了自主规划和自主航行能力，使其能够完成目标探测和环境感知等任务，受到越来越多国家的重视。我国对水面无人艇的研究尚处于初步阶段，许多问题依然没有得到解决。因此，如何实现对水面无人艇的远程控制，并且顺利完成赋予它的任务是目前研究的一个重要课题。本文提出了一种应用光电指引系统的水面无人艇，并对其设计和功能实现进行了研究。1 根据水面无人艇的相关知识建立了数学模型，并根据综合优化算法得到了目标艇的最优主尺度和船型系数；2 根据得到的船型参数制作出了水面无人艇的模型；3 通过单片机对船模进行智能控制，对水面无人艇的船模进行了水密实验、直航稳定性试验、惯性冲程实验、直航稳定性等基础实验还有光电指引航行的功能性实验，并得到了大量的实验数据，然后对实验数据和现象进行了分析，验证了制作的水面无人艇的各种艇型性能。关键词：水面无人艇；数学模型； 性能优化；光电指引系统； 船模实验目录
第一章 绪论 1
1.1 无人艇研究的意义及现 1
1.1.1 水面无人艇的研究意义 1
1.1.2 水面无人艇国外发展状况 1
1.1.3 无人艇国内发展状况 2
1.2光电传感器简介 3
1.2.1光电传感器原理 4
1.2.2分类和工作方式 4
1.2.3光电传感器特性 5
1.3光电指引航行无人艇 6
1.4本章总结 6
第二章 绿色能源无人艇性能优化数学模型 7
2.1引言 7
2.2艇型性能优化数学模型 7
2.2.1航行性能优化设计变量 7
2.2.2航行性能优化目标函数 10
2.2.3 航行性能优化约束条件 17
2.3太阳能输出数学模型及约束条件 18
第三章 优化算法及优化结果 20
3.1优化概述 20
3.2遗传算法 20
3.2.1基本概念 20
3.2.2计算流程 21
3.3并行算法 22
3.4 综合优化算法 25
3.5优化结果 25
3.5.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
17
2.3太阳能输出数学模型及约束条件 18
第三章 优化算法及优化结果 20
3.1优化概述 20
3.2遗传算法 20
3.2.1基本概念 20
3.2.2计算流程 21
3.3并行算法 22
3.4 综合优化算法 25
3.5优化结果 25
3.5.1 单一遗传算法 25
3.5.2 重点变量的并行遗传优化结果 27
3.5.3 综合优化算法优化结果 29
3.6 本章小结 30
第四章 绿色能源无人艇模型设计与制作 31
4.1艇型初步设计 31
4.1.1 浮性曲线计算 31
4.1.2 稳性曲线计算 33
4.1.3 船型系数曲线计算 34
4.2 模型制作过程 36
4.3绿色能源及机桨设计方案 38
4.4 推进装置选择 39
4.5本章小结 40
第五章 光电指引系统设计 41
5.1 51单片机控制核心介绍 41
5.2 光电发射器与接收传感器调试 41
5.3 光电指引无人艇的控制逻辑与控制程序 44
5.3.1 光电指引系统的控制逻辑框图 44
5.3.2 推进系统及其调试程序 44
5.3.3操纵系统及其调试程序 46
5.3.4 光电指引船介绍及相关控制程序 52
5.4 本章小结 56
第六章 实验及性能分析 57
6.1 实验方案 57
6.2 基础实验及数据分析 57
6.2.1 水密实验 57
6.2.2 直航实验及数据分析 57
6.2.3 回转实验及数据分析 58
6.2.4 横纵摇实验及数据分析 59
6.3 功能实验及相关分析 61
6.3.1 光电指引实验 61
6.3.2 火光指引实验 62
6.4 本章小结 63
第七章 总结与展望 64
7.1 论文工作总结 64
7.2 不足和展望 65
7.2.1本次毕业设计存在的不足 65
7.2.2 展望 65
致谢 66
参考文献----------------------------------------------------------------------67
附 录---------------------------------------------------------------------------70
第一章 绪论
1.1 无人艇研究的意义及现状
水面无人艇，简称USV(Unmanned Surface Vehicle)是一种小型的水面平台，因为其具备自主规划和自主航行能力，可以保证它能够完成目标探测以及环境感知等任务[1]。可承担情报收集，扫雷，反潜，监视侦察，精确打击，反恐，中继通信，搜捕，水文地理勘察等功能。无人艇可以通过搭载不同的设备和传感器，或者应用不同的模块，从而使无人艇具有多种多样的功能，也能让它执行的任务显示出多样性。
1.1.1 水面无人艇的研究意义
我国是海洋大国但还不是海洋强国，21世纪是属于海洋的世纪，在此背景下党的十八大提出了“海洋强国”的战略部署，也使得国内对海洋的研究受到越来越多人的欢迎。我国是一个滨海大国，拥有1.8万公里的海岸线和近300多万平方公里的广阔海域。近年来，我国与周边国家不断产生海上权益争端，这使得我国的海洋安全面临前所未有的威胁与挑战。随着信息战向海洋战场的延伸，智能化的海洋航行器应运而生。面对高危险、高海况等恶劣环境，水面无人艇（USV）以其体积小、机动性强、效费比高、可回收性强等优点，受到各国的高度重视。
1.1.2 水面无人艇国外发展状况
水面无人艇和陆地机器人、无人机等的研究相比较，起步相对较晚，但是它的发展速度却很惊人，截至到目前已经有多种类型的水面无人艇应用到了军事领域。许多的西方国家已经看到了它的价值，并且正在对其进行重点开发。美国海军于2007年就已提出了“无人艇主计划”，详细描述了反水雷、反潜战、水面站、电子战、海洋安全、海洋封锁行动支持、特种部队支持等7项高回报任务。从众所周知的“斯巴达侦察兵”“水虎鱼”到“X-2”“CAT-Surveyor”，美国相继研制出多种水面无人艇。以色列也拥有较为成熟的无人艇技术，代表性的无人艇有“保护者”“海星”“银色马林鱼”等。除此之外，日本雅马哈公司于2004年开发了UMV-H和UMV-O无人艇；葡萄牙在2006年研制的“德尔
第一章 绪论 1
1.1 无人艇研究的意义及现 1
1.1.1 水面无人艇的研究意义 1
1.1.2 水面无人艇国外发展状况 1
1.1.3 无人艇国内发展状况 2
1.2光电传感器简介 3
1.2.1光电传感器原理 4
1.2.2分类和工作方式 4
1.2.3光电传感器特性 5
1.3光电指引航行无人艇 6
1.4本章总结 6
第二章 绿色能源无人艇性能优化数学模型 7
2.1引言 7
2.2艇型性能优化数学模型 7
2.2.1航行性能优化设计变量 7
2.2.2航行性能优化目标函数 10
2.2.3 航行性能优化约束条件 17
2.3太阳能输出数学模型及约束条件 18
第三章 优化算法及优化结果 20
3.1优化概述 20
3.2遗传算法 20
3.2.1基本概念 20
3.2.2计算流程 21
3.3并行算法 22
3.4 综合优化算法 25
3.5优化结果 25
3.5.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
17
2.3太阳能输出数学模型及约束条件 18
第三章 优化算法及优化结果 20
3.1优化概述 20
3.2遗传算法 20
3.2.1基本概念 20
3.2.2计算流程 21
3.3并行算法 22
3.4 综合优化算法 25
3.5优化结果 25
3.5.1 单一遗传算法 25
3.5.2 重点变量的并行遗传优化结果 27
3.5.3 综合优化算法优化结果 29
3.6 本章小结 30
第四章 绿色能源无人艇模型设计与制作 31
4.1艇型初步设计 31
4.1.1 浮性曲线计算 31
4.1.2 稳性曲线计算 33
4.1.3 船型系数曲线计算 34
4.2 模型制作过程 36
4.3绿色能源及机桨设计方案 38
4.4 推进装置选择 39
4.5本章小结 40
第五章 光电指引系统设计 41
5.1 51单片机控制核心介绍 41
5.2 光电发射器与接收传感器调试 41
5.3 光电指引无人艇的控制逻辑与控制程序 44
5.3.1 光电指引系统的控制逻辑框图 44
5.3.2 推进系统及其调试程序 44
5.3.3操纵系统及其调试程序 46
5.3.4 光电指引船介绍及相关控制程序 52
5.4 本章小结 56
第六章 实验及性能分析 57
6.1 实验方案 57
6.2 基础实验及数据分析 57
6.2.1 水密实验 57
6.2.2 直航实验及数据分析 57
6.2.3 回转实验及数据分析 58
6.2.4 横纵摇实验及数据分析 59
6.3 功能实验及相关分析 61
6.3.1 光电指引实验 61
6.3.2 火光指引实验 62
6.4 本章小结 63
第七章 总结与展望 64
7.1 论文工作总结 64
7.2 不足和展望 65
7.2.1本次毕业设计存在的不足 65
7.2.2 展望 65
致谢 66
参考文献----------------------------------------------------------------------67
附 录---------------------------------------------------------------------------70
第一章 绪论
1.1 无人艇研究的意义及现状
水面无人艇，简称USV(Unmanned Surface Vehicle)是一种小型的水面平台，因为其具备自主规划和自主航行能力，可以保证它能够完成目标探测以及环境感知等任务[1]。可承担情报收集，扫雷，反潜，监视侦察，精确打击，反恐，中继通信，搜捕，水文地理勘察等功能。无人艇可以通过搭载不同的设备和传感器，或者应用不同的模块，从而使无人艇具有多种多样的功能，也能让它执行的任务显示出多样性。
1.1.1 水面无人艇的研究意义
我国是海洋大国但还不是海洋强国，21世纪是属于海洋的世纪，在此背景下党的十八大提出了“海洋强国”的战略部署，也使得国内对海洋的研究受到越来越多人的欢迎。我国是一个滨海大国，拥有1.8万公里的海岸线和近300多万平方公里的广阔海域。近年来，我国与周边国家不断产生海上权益争端，这使得我国的海洋安全面临前所未有的威胁与挑战。随着信息战向海洋战场的延伸，智能化的海洋航行器应运而生。面对高危险、高海况等恶劣环境，水面无人艇（USV）以其体积小、机动性强、效费比高、可回收性强等优点，受到各国的高度重视。
1.1.2 水面无人艇国外发展状况
水面无人艇和陆地机器人、无人机等的研究相比较，起步相对较晚，但是它的发展速度却很惊人，截至到目前已经有多种类型的水面无人艇应用到了军事领域。许多的西方国家已经看到了它的价值，并且正在对其进行重点开发。美国海军于2007年就已提出了“无人艇主计划”，详细描述了反水雷、反潜战、水面站、电子战、海洋安全、海洋封锁行动支持、特种部队支持等7项高回报任务。从众所周知的“斯巴达侦察兵”“水虎鱼”到“X-2”“CAT-Surveyor”，美国相继研制出多种水面无人艇。以色列也拥有较为成熟的无人艇技术，代表性的无人艇有“保护者”“海星”“银色马林鱼”等。除此之外，日本雅马哈公司于2004年开发了UMV-H和UMV-O无人艇；葡萄牙在2006年研制的“德尔
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