基本信息
- 项目名称：
- 多功能水面无人智能航行器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 旨在设计一款水面智能无人航行器(USV)，采用具有270°视野的三个超声波探头进行障碍物的探测，从而保障高效的自主航行，在航行过程中，使用电子罗盘实时监测船体角度作为闭环控制系统的反馈输入，从而确保USV具有航行、避障时的可靠性及鲁棒性；采用GPS/北斗导航技术及RF数据无线传输技术实时监测USV航行状态，绘制运动轨迹图；当避障成功后，采用路径寻优最佳方法到达目的地，从而达到降低功耗的目的。
- 详细介绍：
- 目前已有的USV，像中国航天科工集团公司研制的“天象一号”具备智能航行的功能，其搭载高精度、高成本传感器致使该产品价格不菲，不利于大规模应用于民用领域。本水面智能航行器在设计时，采用低成本传感器，降低了整个系统成本。利用GPS信息+罗盘信息结合的方式，减小了由于GPS位置坐标信息不准确导致的误差，优化了USV的路径选择算法，在遇到障碍物时，能够快速的做出响应，通过采用PID自适应闭环控制提高了USV航行的稳定性和可靠性。本作品的研究内容涉及到声学、数字信号处理、自动控制原理、嵌入式系统等研究领域，是一个多学科交叉的研究项目。本作品特别适合应用于中国苏州水城的无人观光艇设计。 技术性分析说明： 本作品采用了模块化的设计，为以后USV提供了一个智能化、模块化和多功能化的良好平台。本USV共分为七个模块，即无线模块、GPS模块、罗盘模块、超声波探头模块、电机驱动模块、主从CPU控制运算模块、上位机显示模块。其原理框图如图1所示，以下简单介绍一下各个模块的控制原理及实现功能： (1)无线模块：主要实现主控制器和上位机之间通信，利用无线模块将实时的GPS坐标信息传输到上位机；通过无线模块了可以实现上位机控制USV航行、双模式切换触发等功能； (2)GPS模块：实时获取航行器坐标位置，实现定点航行，通过串口与主控制器相连，波特率设置为9600bps,实时传递当前航行器地理坐标信息； (3)电子罗盘模块：罗盘模块是在避障时必不可少的一部分，当遇到障碍物时，通过罗盘返回的方位信息，判断偏离的角度是否已偏转到设定的角度要求，从而保证避障的成功运行。此外，通过电子罗盘实时监测由于USV双电机的不平衡导致的偏转误差角度从而实现闭环控制； (4)超声波探头模块：超声波探测模块通过收发超声波测算与障碍物之间的距离，从而达到避障的目的。为了避免超声波直接的相互干扰，3个超声波探头的工作方式采取循环扫描方式，保证在同一时刻，只有一个探头在工作； (5)电机驱动模块：电机驱动模块是整个航行器的动力装置，根据水面智能航行器的避障需要，通过主从CPU控制运算模块产生PWM控制电机调速，从而实现USV转向； (6)主从CPU控制运算模块：本作品采用了两片低成本32bit ARM以Cortex-M0为内核的M051作为主控制芯片，主从CPU之间采用简单有效的中断“握手”机制进行数据交换，双CPU构架在保证低成本的情况下，有效的提高了整机的运算能力； (7)上位机显示模块：上位机模块是基于LabVIEW编写的控制软件。通过控制软件实现水面智能航行器的人工遥控和自主避障航行的切换，设置航行器航行目的地，实时计算航行器与目的地的方位和距离，保证航行器以最高的效率达到目的地，并记录航行器的航行轨迹
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 随着科学技术的发展，在民用领域和军事领域，产品朝着无人化、智能化发展。在实际的生产生活中，诸如：河道的环境监测、不利于人员靠近海域的环境监测，如核泄漏放射性物质的监测、威尼斯或苏州水城的无人观光船；创新点： 1、针对军用和民用领域的水面智能无人航行器的需求，在分析了超声波探测、GPS/无线定位、无线数据传输等技术的基础上，提出了水面智能无人航行器的设计方案; 2、优化并实现了路径寻优最佳方法，基于PID闭环自适应控制算法； 3、设计了具有模块化、成本低、扩展性强、智能性高等优点的多功能军民两用航行器样机； 4、结合水面无人智能航行器的实际条件，基于LabVIEW、无线通信模块构建了实时动态显示无人航行器运动轨迹的显控交互界面； 5、提出了基于三轴加速度传感器和GPS/北斗定位相结合的自适应姿态补偿定位算法。 需解决以下关键技术： 1、基于双CPU构架的“水面无人智能航行器”系统设计。 2、基于超声波测距的避障技术。 3、基于无人智能航行和上位机控制航行的双模式机制实现技术。 4、路径算法的设计及实现技术。基于闭环的双电机PID自适应调速控制算法保证了USV路径寻优最佳算法的实现； 主要技术指标及功能： 1、USV定位精度﹤10m,USV转弯半径﹤0.8m，船体长度L=80cm； 2、无人智能航行和上位机控制航行； 3、在定位精度误差允许范围内，自主航行到指定目的地； 4、实时监测并绘制水面无人智能航行器运动轨迹。
科学性、先进性
- 目前已有的USV，像中国航天科工集团公司研制的“天象一号”具备智能航行的功能，其搭载高精度、高成本传感器致使该产品价格不菲，不利于大规模应用于民用领域。本水面智能航行器在设计时，采用低成本传感器，降低了整个系统成本。利用GPS信息+罗盘信息结合的方式，减小了由于GPS位置坐标信息不准确导致的误差，优化了USV的路径选择算法，在遇到障碍物时，能够快速的做出响应，通过采用PID自适应闭环控制提高了USV航行的稳定性和可靠性。本作品的研究内容涉及到声学、数字信号处理、自动控制原理、嵌入式系统等研究领域，是一个多学科交叉的研究项目。本作品特别适合应用于中国苏州水城的无人观光艇设计。
获奖情况及鉴定结果
- 该项目的“水面自主航行舰船的设计及实现”于2010年9月获得西北工业大学第二届“新概念海洋航行器”设计大赛实物制作类项目获一等奖 该项目的“水面智能航行器”一期于2011年3月获得西北工业大学研究生创新基地优秀项目
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 授权转让
作品可展示的形式
- 实物、产品，图纸，现场演示，图片，录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 优势： 1、操作人性化：控制、自动航行双模式保证了船体行驶的安全可靠性，上位机界面友好。 2、技术成熟化：主控芯片的可靠性，电机控制PID算法的应用，以及GPS/北斗定位技术使得USV得到了强大的技术保证。 产品的性价比高：现有产品不同于常规的军用产品，市场针对非极端情况设计，利用特种材料与工艺以节约成本。 应用前景： 1、民用领域，在大型载人船只上，其可以辅助驾驶员实现高效航行工作。在诸如中国苏州水城，可实现无人公交船，方便游客进行观光游览。 2、科学研究领域，在低海况海洋环境中进行环境监测、搜集气象和海洋数据，可对于全球气候变化情况进行全面的分析，在一些不利于人员接近的海域监测，诸如：核电站水域放射性物质监测。 经济效益预测： 项目目前处于中试阶段，成本大约在5000元/台；在实现集成化和批量生产后，其成本可以控制在3000元/台以内。而目前用于无人智能水面航行器的产品基本没有，该产品作为一款在民用和科学研究方面都极具应用价值的新型产品，其经济效益和社会效益及其可观。
同类课题研究水平概述
- 无人水面舰艇（USV）。主要用于执行危险以及不适于人工船只执行的任务。一旦配备先进的控制系统、传感器系统、通信系统和武器系统后，可以执行多种战争和非战争军事任务，比如，侦察、搜索、探测和排雷；搜救、导航和水文地理勘察；反潜作战、反特种作战以及巡逻、打击海盗、反恐攻击等。 在无人水面艇研发和使用领域，美国和以色列一直处于领先地位。在USV领域，国内外已有部分类似产品。其中典型产品的分析如下： 1、美国“斯巴达”型USV 美国海军目前正在投资5500万美元研制一种海面无人船，该项目将持续6年。此无人船将用于在各种海洋环境下执行多种任务。该无人船系统称为“斯巴达”，是一种既可遥控也可自动运行的高速船。“斯巴达”可执行的任务包括沿海地区反潜战、反水雷战、防御鱼雷、情报收集、监视和侦察等。对“斯巴达”的研究与开发工作已经在海军海下作战中心进行了三年。“斯巴达”将使用现有的高速船——7米或11米长的硬壳平底船（RHIB），并在这些船上集成防御系统和武器系统。根据硬壳平底船的长度，“斯巴达”可以在150至1000海里的海域内工作8至48小时，其最低行驶速度为28节，最高可达50节。同有人驾驶的舰船相比，“斯巴达”的速度要高得多，而且可以在夜间行动。该无人船能够携载2600至5000磅的有效负荷。 2、以色列“保护者”型USV 以色列“保护者”型无人水面艇已经开始批量生产，并装备部队。新加坡海军是它第一个海外用户，在一次演习中，他们利用登陆舰搭载2艘“保护者”无人水面艇，进行海上保卫和封锁行动，据新加坡国防部称，“保护者”无人水面艇是“非常高效的”。 3、中国“天象一号”USV 目前，德国、日本也在积极研究无人水面艇。中国无人水面艇的发展尚处于起步阶段，民用方面已取得进展，“天象1号”无人水面艇曾在奥运会青岛奥帆赛期间，作为气象应急装备为奥帆赛提供气象保障服务。 本作品以实际无人操作应用为背景，在此基础上深入研究了USV的实现技术，提出了模块化的设计思想，设计了USV系统的整体方案，构建了USV的硬件系统，并在其上编程并调试实现智能航行算法。目前的研究成果已完成了水面智能航行器的原理样机研制工作，并进行了湖试，试验结果表明：该作品在低海况条件下能够实现智能航行。
