基本信息
- 項目名稱：
- 多功能水面無人智能航行器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 旨在設(shè)計一款水面智能無人航行器(USV)，采用具有270°視野的三個超聲波探頭進行障礙物的探測，從而保障高效的自主航行，在航行過程中，使用電子羅盤實時監(jiān)測船體角度作為閉環(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)無線傳輸技術(shù)實時監(jiān)測USV航行狀態(tài)，繪制運動軌跡圖；當避障成功后，采用路徑尋優(yōu)最佳方法到達目的地，從而達到降低功耗的目的。
- 詳細介紹：
- 目前已有的USV，像中國航天科工集團公司研制的“天象一號”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)計時，采用低成本傳感器，降低了整個系統(tǒng)成本。利用GPS信息+羅盤信息結(jié)合的方式，減小了由于GPS位置坐標信息不準確導(dǎo)致的誤差，優(yōu)化了USV的路徑選擇算法，在遇到障礙物時，能夠快速的做出響應(yīng)，通過采用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。本作品的研究內(nèi)容涉及到聲學(xué)、數(shù)字信號處理、自動控制原理、嵌入式系統(tǒng)等研究領(lǐng)域，是一個多學(xué)科交叉的研究項目。本作品特別適合應(yīng)用于中國蘇州水城的無人觀光艇設(shè)計。 技術(shù)性分析說明： 本作品采用了模塊化的設(shè)計，為以后USV提供了一個智能化、模塊化和多功能化的良好平臺。本USV共分為七個模塊，即無線模塊、GPS模塊、羅盤模塊、超聲波探頭模塊、電機驅(qū)動模塊、主從CPU控制運算模塊、上位機顯示模塊。其原理框圖如圖1所示，以下簡單介紹一下各個模塊的控制原理及實現(xiàn)功能： (1)無線模塊：主要實現(xiàn)主控制器和上位機之間通信，利用無線模塊將實時的GPS坐標信息傳輸?shù)缴衔粰C；通過無線模塊了可以實現(xiàn)上位機控制USV航行、雙模式切換觸發(fā)等功能； (2)GPS模塊：實時獲取航行器坐標位置，實現(xiàn)定點航行，通過串口與主控制器相連，波特率設(shè)置為9600bps,實時傳遞當前航行器地理坐標信息； (3)電子羅盤模塊：羅盤模塊是在避障時必不可少的一部分，當遇到障礙物時，通過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行。此外，通過電子羅盤實時監(jiān)測由于USV雙電機的不平衡導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)誤差角度從而實現(xiàn)閉環(huán)控制； (4)超聲波探頭模塊：超聲波探測模塊通過收發(fā)超聲波測算與障礙物之間的距離，從而達到避障的目的。為了避免超聲波直接的相互干擾，3個超聲波探頭的工作方式采取循環(huán)掃描方式，保證在同一時刻，只有一個探頭在工作； (5)電機驅(qū)動模塊：電機驅(qū)動模塊是整個航行器的動力裝置，根據(jù)水面智能航行器的避障需要，通過主從CPU控制運算模塊產(chǎn)生PWM控制電機調(diào)速，從而實現(xiàn)USV轉(zhuǎn)向； (6)主從CPU控制運算模塊：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之間采用簡單有效的中斷“握手”機制進行數(shù)據(jù)交換，雙CPU構(gòu)架在保證低成本的情況下，有效的提高了整機的運算能力； (7)上位機顯示模塊：上位機模塊是基于LabVIEW編寫的控制軟件。通過控制軟件實現(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，實時計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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 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)品朝著無人化、智能化發(fā)展。在實際的生產(chǎn)生活中，諸如：河道的環(huán)境監(jiān)測、不利于人員靠近海域的環(huán)境監(jiān)測，如核泄漏放射性物質(zhì)的監(jiān)測、威尼斯或蘇州水城的無人觀光船；創(chuàng)新點： 1、針對軍用和民用領(lǐng)域的水面智能無人航行器的需求，在分析了超聲波探測、GPS/無線定位、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)上，提出了水面智能無人航行器的設(shè)計方案; 2、優(yōu)化并實現(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)計了具有模塊化、成本低、擴展性強、智能性高等優(yōu)點的多功能軍民兩用航行器樣機； 4、結(jié)合水面無人智能航行器的實際條件，基于LabVIEW、無線通信模塊構(gòu)建了實時動態(tài)顯示無人航行器運動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“水面無人智能航行器”系統(tǒng)設(shè)計。 2、基于超聲波測距的避障技術(shù)。 3、基于無人智能航行和上位機控制航行的雙模式機制實現(xiàn)技術(shù)。 4、路徑算法的設(shè)計及實現(xiàn)技術(shù)?；陂]環(huán)的雙電機PID自適應(yīng)調(diào)速控制算法保證了USV路徑尋優(yōu)最佳算法的實現(xiàn)； 主要技術(shù)指標及功能： 1、USV定位精度﹤10m,USV轉(zhuǎn)彎半徑﹤0.8m，船體長度L=80cm； 2、無人智能航行和上位機控制航行； 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、實時監(jiān)測并繪制水面無人智能航行器運動軌跡。
科學(xué)性、先進性
- 目前已有的USV，像中國航天科工集團公司研制的“天象一號”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)計時，采用低成本傳感器，降低了整個系統(tǒng)成本。利用GPS信息+羅盤信息結(jié)合的方式，減小了由于GPS位置坐標信息不準確導(dǎo)致的誤差，優(yōu)化了USV的路徑選擇算法，在遇到障礙物時，能夠快速的做出響應(yīng)，通過采用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。本作品的研究內(nèi)容涉及到聲學(xué)、數(shù)字信號處理、自動控制原理、嵌入式系統(tǒng)等研究領(lǐng)域，是一個多學(xué)科交叉的研究項目。本作品特別適合應(yīng)用于中國蘇州水城的無人觀光艇設(shè)計。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 該項目的“水面自主航行艦船的設(shè)計及實現(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)計大賽實物制作類項目獲一等獎 該項目的“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
- 實物、產(chǎn)品，圖紙，現(xiàn)場演示，圖片，錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 優(yōu)勢： 1、操作人性化：控制、自動航行雙模式保證了船體行駛的安全可靠性，上位機界面友好。 2、技術(shù)成熟化：主控芯片的可靠性，電機控制PID算法的應(yīng)用，以及GPS/北斗定位技術(shù)使得USV得到了強大的技術(shù)保證。 產(chǎn)品的性價比高：現(xiàn)有產(chǎn)品不同于常規(guī)的軍用產(chǎn)品，市場針對非極端情況設(shè)計，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現(xiàn)高效航行工作。在諸如中國蘇州水城，可實現(xiàn)無人公交船，方便游客進行觀光游覽。 2、科學(xué)研究領(lǐng)域，在低海況海洋環(huán)境中進行環(huán)境監(jiān)測、搜集氣象和海洋數(shù)據(jù)，可對于全球氣候變化情況進行全面的分析，在一些不利于人員接近的海域監(jiān)測，諸如：核電站水域放射性物質(zhì)監(jiān)測。 經(jīng)濟效益預(yù)測： 項目目前處于中試階段，成本大約在5000元/臺；在實現(xiàn)集成化和批量生產(chǎn)后，其成本可以控制在3000元/臺以內(nèi)。而目前用于無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)用價值的新型產(chǎn)品，其經(jīng)濟效益和社會效益及其可觀。
同類課題研究水平概述
- 無人水面艦艇（USV）。主要用于執(zhí)行危險以及不適于人工船只執(zhí)行的任務(wù)。一旦配備先進的控制系統(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)爭和非戰(zhàn)爭軍事任務(wù)，比如，偵察、搜索、探測和排雷；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。 在無人水面艇研發(fā)和使用領(lǐng)域，美國和以色列一直處于領(lǐng)先地位。在USV領(lǐng)域，國內(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“斯巴達”型USV 美國海軍目前正在投資5500萬美元研制一種海面無人船，該項目將持續(xù)6年。此無人船將用于在各種海洋環(huán)境下執(zhí)行多種任務(wù)。該無人船系統(tǒng)稱為“斯巴達”，是一種既可遙控也可自動運行的高速船?！八拱瓦_”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、情報收集、監(jiān)視和偵察等。對“斯巴達”的研究與開發(fā)工作已經(jīng)在海軍海下作戰(zhàn)中心進行了三年?！八拱瓦_”將使用現(xiàn)有的高速船——7米或11米長的硬殼平底船（RHIB），并在這些船上集成防御系統(tǒng)和武器系統(tǒng)。根據(jù)硬殼平底船的長度，“斯巴達”可以在150至1000海里的海域內(nèi)工作8至48小時，其最低行駛速度為28節(jié)，最高可達50節(jié)。同有人駕駛的艦船相比，“斯巴達”的速度要高得多，而且可以在夜間行動。該無人船能夠攜載2600至5000磅的有效負荷。 2、以色列“保護者”型USV 以色列“保護者”型無人水面艇已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，并裝備部隊。新加坡海軍是它第一個海外用戶，在一次演習(xí)中，他們利用登陸艦搭載2艘“保護者”無人水面艇，進行海上保衛(wèi)和封鎖行動，據(jù)新加坡國防部稱，“保護者”無人水面艇是“非常高效的”。 3、中國“天象一號”USV 目前，德國、日本也在積極研究無人水面艇。中國無人水面艇的發(fā)展尚處于起步階段，民用方面已取得進展，“天象1號”無人水面艇曾在奧運會青島奧帆賽期間，作為氣象應(yīng)急裝備為奧帆賽提供氣象保障服務(wù)。 本作品以實際無人操作應(yīng)用為背景，在此基礎(chǔ)上深入研究了USV的實現(xiàn)技術(shù)，提出了模塊化的設(shè)計思想，設(shè)計了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研制工作，并進行了湖試，試驗結(jié)果表明：該作品在低海況條件下能夠?qū)崿F(xiàn)智能航行。
