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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 多功能水面無(wú)人智能航行器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 旨在設(shè)計(jì)一款水面智能無(wú)人航行器(USV)，采用具有270°視野的三個(gè)超聲波探頭進(jìn)行障礙物的探測(cè)，從而保障高效的自主航行，在航行過(guò)程中，使用電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)船體角度作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋輸入，從而確保USV具有航行、避障時(shí)的可靠性及魯棒性；采用GPS/北斗導(dǎo)航技術(shù)及RF數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)USV航行狀態(tài)，繪制運(yùn)動(dòng)軌跡圖；當(dāng)避障成功后，采用路徑尋優(yōu)最佳方法到達(dá)目的地，從而達(dá)到降低功耗的目的。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前已有的USV，像中國(guó)航天科工集團(tuán)公司研制的“天象一號(hào)”具備智能航行的功能，其搭載高精度、高成本傳感器致使該產(chǎn)品價(jià)格不菲，不利于大規(guī)模應(yīng)用于民用領(lǐng)域。本水面智能航行器在設(shè)計(jì)時(shí)，采用低成本傳感器，降低了整個(gè)系統(tǒng)成本。利用GPS信息+羅盤信息結(jié)合的方式，減小了由于GPS位置坐標(biāo)信息不準(zhǔn)確導(dǎo)致的誤差，優(yōu)化了USV的路徑選擇算法，在遇到障礙物時(shí)，能夠快速的做出響應(yīng)，通過(guò)采用PID自適應(yīng)閉環(huán)控制提高了USV航行的穩(wěn)定性和可靠性。本作品的研究?jī)?nèi)容涉及到聲學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制原理、嵌入式系統(tǒng)等研究領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究項(xiàng)目。本作品特別適合應(yīng)用于中國(guó)蘇州水城的無(wú)人觀光艇設(shè)計(jì)。 技術(shù)性分析說(shuō)明： 本作品采用了模塊化的設(shè)計(jì)，為以后USV提供了一個(gè)智能化、模塊化和多功能化的良好平臺(tái)。本USV共分為七個(gè)模塊，即無(wú)線模塊、GPS模塊、羅盤模塊、超聲波探頭模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、主從CPU控制運(yùn)算模塊、上位機(jī)顯示模塊。其原理框圖如圖1所示，以下簡(jiǎn)單介紹一下各個(gè)模塊的控制原理及實(shí)現(xiàn)功能： (1)無(wú)線模塊：主要實(shí)現(xiàn)主控制器和上位機(jī)之間通信，利用無(wú)線模塊將實(shí)時(shí)的GPS坐標(biāo)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；通過(guò)無(wú)線模塊了可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制USV航行、雙模式切換觸發(fā)等功能； (2)GPS模塊：實(shí)時(shí)獲取航行器坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)航行，通過(guò)串口與主控制器相連，波特率設(shè)置為9600bps,實(shí)時(shí)傳遞當(dāng)前航行器地理坐標(biāo)信息； (3)電子羅盤模塊：羅盤模塊是在避障時(shí)必不可少的一部分，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，通過(guò)羅盤返回的方位信息，判斷偏離的角度是否已偏轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度要求，從而保證避障的成功運(yùn)行。此外，通過(guò)電子羅盤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由于USV雙電機(jī)的不平衡導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)誤差角度從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制； (4)超聲波探頭模塊：超聲波探測(cè)模塊通過(guò)收發(fā)超聲波測(cè)算與障礙物之間的距離，從而達(dá)到避障的目的。為了避免超聲波直接的相互干擾，3個(gè)超聲波探頭的工作方式采取循環(huán)掃描方式，保證在同一時(shí)刻，只有一個(gè)探頭在工作； (5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是整個(gè)航行器的動(dòng)力裝置，根據(jù)水面智能航行器的避障需要，通過(guò)主從CPU控制運(yùn)算模塊產(chǎn)生PWM控制電機(jī)調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)USV轉(zhuǎn)向； (6)主從CPU控制運(yùn)算模塊：本作品采用了兩片低成本32bit ARM以Cortex-M0為內(nèi)核的M051作為主控制芯片，主從CPU之間采用簡(jiǎn)單有效的中斷“握手”機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，雙CPU構(gòu)架在保證低成本的情況下，有效的提高了整機(jī)的運(yùn)算能力； (7)上位機(jī)顯示模塊：上位機(jī)模塊是基于LabVIEW編寫的控制軟件。通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)水面智能航行器的人工遙控和自主避障航行的切換，設(shè)置航行器航行目的地，實(shí)時(shí)計(jì)算航行器與目的地的方位和距離，保證航行器以最高的效率達(dá)到目的地，并記錄航行器的航行軌跡
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，產(chǎn)品朝著無(wú)人化、智能化發(fā)展。在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，諸如：河道的環(huán)境監(jiān)測(cè)、不利于人員靠近海域的環(huán)境監(jiān)測(cè)，如核泄漏放射性物質(zhì)的監(jiān)測(cè)、威尼斯或蘇州水城的無(wú)人觀光船；創(chuàng)新點(diǎn)： 1、針對(duì)軍用和民用領(lǐng)域的水面智能無(wú)人航行器的需求，在分析了超聲波探測(cè)、GPS/無(wú)線定位、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)上，提出了水面智能無(wú)人航行器的設(shè)計(jì)方案; 2、優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)了路徑尋優(yōu)最佳方法，基于PID閉環(huán)自適應(yīng)控制算法； 3、設(shè)計(jì)了具有模塊化、成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)、智能性高等優(yōu)點(diǎn)的多功能軍民兩用航行器樣機(jī)； 4、結(jié)合水面無(wú)人智能航行器的實(shí)際條件，基于LabVIEW、無(wú)線通信模塊構(gòu)建了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示無(wú)人航行器運(yùn)動(dòng)軌跡的顯控交互界面； 5、提出了基于三軸加速度傳感器和GPS/北斗定位相結(jié)合的自適應(yīng)姿態(tài)補(bǔ)償定位算法。 需解決以下關(guān)鍵技術(shù)： 1、基于雙CPU構(gòu)架的“水面無(wú)人智能航行器”系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2、基于超聲波測(cè)距的避障技術(shù)。 3、基于無(wú)人智能航行和上位機(jī)控制航行的雙模式機(jī)制實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 4、路徑算法的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)技術(shù)?；陂]環(huán)的雙電機(jī)PID自適應(yīng)調(diào)速控制算法保證了USV路徑尋優(yōu)最佳算法的實(shí)現(xiàn)； 主要技術(shù)指標(biāo)及功能： 1、USV定位精度﹤10m,USV轉(zhuǎn)彎半徑﹤0.8m，船體長(zhǎng)度L=80cm； 2、無(wú)人智能航行和上位機(jī)控制航行； 3、在定位精度誤差允許范圍內(nèi)，自主航行到指定目的地； 4、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并繪制水面無(wú)人智能航行器運(yùn)動(dòng)軌跡。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前已有的USV，像中國(guó)航天科工集團(tuán)公司研制的“天象一號(hào)”具備智能航行的功能，其搭載高精度、高成本傳感器致使該產(chǎn)品價(jià)格不菲，不利于大規(guī)模應(yīng)用于民用領(lǐng)域。本水面智能航行器在設(shè)計(jì)時(shí)，采用低成本傳感器，降低了整個(gè)系統(tǒng)成本。利用GPS信息+羅盤信息結(jié)合的方式，減小了由于GPS位置坐標(biāo)信息不準(zhǔn)確導(dǎo)致的誤差，優(yōu)化了USV的路徑選擇算法，在遇到障礙物時(shí)，能夠快速的做出響應(yīng)，通過(guò)采用PID自適應(yīng)閉環(huán)控制提高了USV航行的穩(wěn)定性和可靠性。本作品的研究?jī)?nèi)容涉及到聲學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制原理、嵌入式系統(tǒng)等研究領(lǐng)域，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究項(xiàng)目。本作品特別適合應(yīng)用于中國(guó)蘇州水城的無(wú)人觀光艇設(shè)計(jì)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 該項(xiàng)目的“水面自主航行艦船的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)”于2010年9月獲得西北工業(yè)大學(xué)第二屆“新概念海洋航行器”設(shè)計(jì)大賽實(shí)物制作類項(xiàng)目獲一等獎(jiǎng) 該項(xiàng)目的“水面智能航行器”一期于2011年3月獲得西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基地優(yōu)秀項(xiàng)目
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 授權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，圖紙，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片，錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 優(yōu)勢(shì)： 1、操作人性化：控制、自動(dòng)航行雙模式保證了船體行駛的安全可靠性，上位機(jī)界面友好。 2、技術(shù)成熟化：主控芯片的可靠性，電機(jī)控制PID算法的應(yīng)用，以及GPS/北斗定位技術(shù)使得USV得到了強(qiáng)大的技術(shù)保證。 產(chǎn)品的性價(jià)比高：現(xiàn)有產(chǎn)品不同于常規(guī)的軍用產(chǎn)品，市場(chǎng)針對(duì)非極端情況設(shè)計(jì)，利用特種材料與工藝以節(jié)約成本。 應(yīng)用前景： 1、民用領(lǐng)域，在大型載人船只上，其可以輔助駕駛員實(shí)現(xiàn)高效航行工作。在諸如中國(guó)蘇州水城，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人公交船，方便游客進(jìn)行觀光游覽。 2、科學(xué)研究領(lǐng)域，在低海況海洋環(huán)境中進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、搜集氣象和海洋數(shù)據(jù)，可對(duì)于全球氣候變化情況進(jìn)行全面的分析，在一些不利于人員接近的海域監(jiān)測(cè)，諸如：核電站水域放射性物質(zhì)監(jiān)測(cè)。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 項(xiàng)目目前處于中試階段，成本大約在5000元/臺(tái)；在實(shí)現(xiàn)集成化和批量生產(chǎn)后，其成本可以控制在3000元/臺(tái)以內(nèi)。而目前用于無(wú)人智能水面航行器的產(chǎn)品基本沒有，該產(chǎn)品作為一款在民用和科學(xué)研究方面都極具應(yīng)用價(jià)值的新型產(chǎn)品，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益及其可觀。
同類課題研究水平概述
- 無(wú)人水面艦艇（USV）。主要用于執(zhí)行危險(xiǎn)以及不適于人工船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進(jìn)的控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和武器系統(tǒng)后，可以執(zhí)行多種戰(zhàn)爭(zhēng)和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事任務(wù)，比如，偵察、搜索、探測(cè)和排雷；搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察；反潛作戰(zhàn)、反特種作戰(zhàn)以及巡邏、打擊海盜、反恐攻擊等。 在無(wú)人水面艇研發(fā)和使用領(lǐng)域，美國(guó)和以色列一直處于領(lǐng)先地位。在USV領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已有部分類似產(chǎn)品。其中典型產(chǎn)品的分析如下： 1、美國(guó)“斯巴達(dá)”型USV 美國(guó)海軍目前正在投資5500萬(wàn)美元研制一種海面無(wú)人船，該項(xiàng)目將持續(xù)6年。此無(wú)人船將用于在各種海洋環(huán)境下執(zhí)行多種任務(wù)。該無(wú)人船系統(tǒng)稱為“斯巴達(dá)”，是一種既可遙控也可自動(dòng)運(yùn)行的高速船?！八拱瓦_(dá)”可執(zhí)行的任務(wù)包括沿海地區(qū)反潛戰(zhàn)、反水雷戰(zhàn)、防御魚雷、情報(bào)收集、監(jiān)視和偵察等。對(duì)“斯巴達(dá)”的研究與開發(fā)工作已經(jīng)在海軍海下作戰(zhàn)中心進(jìn)行了三年?！八拱瓦_(dá)”將使用現(xiàn)有的高速船——7米或11米長(zhǎng)的硬殼平底船（RHIB），并在這些船上集成防御系統(tǒng)和武器系統(tǒng)。根據(jù)硬殼平底船的長(zhǎng)度，“斯巴達(dá)”可以在150至1000海里的海域內(nèi)工作8至48小時(shí)，其最低行駛速度為28節(jié)，最高可達(dá)50節(jié)。同有人駕駛的艦船相比，“斯巴達(dá)”的速度要高得多，而且可以在夜間行動(dòng)。該無(wú)人船能夠攜載2600至5000磅的有效負(fù)荷。 2、以色列“保護(hù)者”型USV 以色列“保護(hù)者”型無(wú)人水面艇已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并裝備部隊(duì)。新加坡海軍是它第一個(gè)海外用戶，在一次演習(xí)中，他們利用登陸艦搭載2艘“保護(hù)者”無(wú)人水面艇，進(jìn)行海上保衛(wèi)和封鎖行動(dòng)，據(jù)新加坡國(guó)防部稱，“保護(hù)者”無(wú)人水面艇是“非常高效的”。 3、中國(guó)“天象一號(hào)”USV 目前，德國(guó)、日本也在積極研究無(wú)人水面艇。中國(guó)無(wú)人水面艇的發(fā)展尚處于起步階段，民用方面已取得進(jìn)展，“天象1號(hào)”無(wú)人水面艇曾在奧運(yùn)會(huì)青島奧帆賽期間，作為氣象應(yīng)急裝備為奧帆賽提供氣象保障服務(wù)。 本作品以實(shí)際無(wú)人操作應(yīng)用為背景，在此基礎(chǔ)上深入研究了USV的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提出了模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了USV系統(tǒng)的整體方案，構(gòu)建了USV的硬件系統(tǒng)，并在其上編程并調(diào)試實(shí)現(xiàn)智能航行算法。目前的研究成果已完成了水面智能航行器的原理樣機(jī)研制工作，并進(jìn)行了湖試，試驗(yàn)結(jié)果表明：該作品在低海況條件下能夠?qū)崿F(xiàn)智能航行。
