摘要：现今，与自动化相关的技术水平逐渐提高，智能船舶业正在快速发展，各国也迫切地想要研究各种智能的无人船舶，而其中，关于无人智能船舶的航迹跟踪研究更是其中最重要的研究方向。本次课题把智能无人船舶作为研究中心，主要研究的是关于无人船舶的简易GPS导航控制系统，其硬件部分主要是通过GPS模块来获取船舶的经纬度等位置信息。本文还基于智能无人船舶的航迹控制运动学，建立了关于无人船舶的动力学模型以及船舶的基本控制模型。论文的主要研究内容及成果如下：

本次设计设计了和智能无人船舶相配套的GPS导航系统，同时还简单推导了智能无人船舶的运动模型。本文首先对船舶在海平面上的六自由度运动进行了建模，并分析了重力、浮力等对船只的影响。同时，在该导航系统的硬件设计中选用了单片机STM32F103作为主要元件，而智能无人船舶的经纬度位置信息使用GPS模块来测量，再通过GPRS模块发送信号来上传智能无人船舶的经纬度位置信息。在MATLAB仿真中主要使用了卡尔曼滤波算法，通过利用噪声矩阵来去除一部分测量上的误差。保证导航系统的实时性和稳定性，有效提高GPS航迹跟踪的精度，最后，根据卡尔曼滤波去除误差后，使用MATLAB将无人船舶的最优轨迹显示出来。通过MATLAB仿真的实验也验证了卡尔曼滤波能够有效地去除一部分因为信号波动而产生的误差。

 

关键词：GPS导航；无人船舶；航迹；MATLAB 

 

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-1

1.1 研究背景和意义-1

1.2 国内外研究-2

1.3 研究意义-4

1.4 本文研究对象-5

第二章 系统总体设计分析-6

2.1无人船舶的船体-6

2.2无人船舶GPS导航系统构成-6

2.3 无人船舶的建模-7

2.3.1六自由度动力学模型[24]-7

2.3.2 附加质量系统惯性建模-8

2.3.3 阻尼矩阵-9

2.3.4 重力与浮力建模-9

2.3.5 推进器控制力建模-9

2.3.6 化简无人艇六自由度模型-9

2.4 本章总结-10

第三章 导航系统硬件设计-11

3.1 无人船舶的GPS导航系统-11

3.2 硬件选型-11

3.3 模块介绍-12

3.3.1 STM32单片机主模块-12

3.3.2 直流稳压模块-14

3.3.3 GPS模块-15

3.3.4 GPRS模块-16

第四章 软件设计-18

4.1 使用软件介绍-18

4.2 导航系统介绍-18

4.3 GPS模块软件设计-18

4.4 上位机部分设计-20

第五章 实物调试及MATLAB仿真-23

5.1 使用软件介绍-23

5.2 调试过程-23

5.2.1 准备部分-23

5.2.2 软件配置-24

5.2.3 平台配置-24

5.3 四维目标跟踪卡尔曼线性滤波-27

5.4四维目标跟踪卡尔曼线性滤波仿真-28

第六章 总结与展望-33

6.1 总结-33

6.2 经济性-33

6.3 安全性-33

6.4 社会和环境影响-34

6.5 展望未来-34

参考文献-35

致  谢-36