摘要
随着海洋安全越来越受到各个国家的重视，对于无人船的研究也取得了长足的发展。无人船(USV)作为一种在海平面上灵巧快速、无需人为操控的智能化水面船舶，在军用和民用领域都潜在着极大的应用前景。但我们也应看到，无人船目前的发展还处于初期阶段，自主性相对较差，在航行过程中还需要人为的参与。当在复杂的水域受到风、浪以及障碍物的干扰，使得无人船的自动控制难度增加。同时大多数对于无人船自动控制的研究还停留在计算机模拟仿真阶段，实船试验相对较少。针对以上问题本文设计了一套无人船自动操舵控制系统，通过设计软硬件平台和控制器进行无人船远程信息交互以及自动控制，实现无人船的航迹跟踪功能，最后进行了自动操舵系统的仿真模拟以及实船试验，验证了所设计控制系统的有效性。 本文首先对所研究无人船的具体信息以及软硬件架构系统中的硬件设备与软件在Qt开发环境下UI界面设计以及上下位机之间的通信协议进行了详细阐明。接下来通过船舶控制理论中的惯性、随动坐标系的定义来建立坐标系上无人船运动数学模型。对无人船进行实船Z型实验以及回转实验求取无人船的KT参数带入一阶Nomoto响应模型，最终得到所研究船只的数学模型。介绍模型预测控制(Model Predictive Control)的基本思想，推导轨迹跟踪误差模型和小范围误差内对无人船轨迹跟踪控制问题的线性化方程进行无人船自动操舵控制器设计。基于无人船数学模型对所设计的MPC控制器进行仿真模拟，验证算法的可行性。加入艏侧推无人船辅助航向控制，通过设计模糊控制器对侧推器进行转速控制对无人船航迹跟踪过程中小幅度偏航情况进行纠正。最后进行了实船在海平面的航向控制实验。通过对实验数据结果的整理与分析，所设计的模型预测控制航向控制算法能达到良好的跟踪效果，通过理论与实践相结合的方式验证了控制器的有效性，为无人船的自动操舵控制方向提供一些思路。
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