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基于物联网技术的无人船智能航行控制系统设计与实现
摘要：
无人船是物联网技术的典型应用之一。探究基于物联网技术的无人船智能航行控制系统对提高航行效率、降低运营成本和提高安全性的作用具有重要的现实意义。本文以一艘基于物联网技术的无人船为研究对象，设计并实现了一套智能航行控制系统。该系统采用全球定位系统、惯性导航系统、超声波传感器等多种传感器进行数据采集，使用PID控制算法实现船舶稳定性控制，结合无线通信技术建立主从式网络通信，实现了远程控制和多船协同控制。通过实验验证，该系统能够有效地提高船舶的航行效率、降低运营成本和提高安全性。
关键词：物联网技术；无人船；智能航行控制系统；PID控制算法；多船协同控制
Abstract：
UnmannedboatsaretypicalapplicationsofIoTtechnology.ExploringtheintelligentnavigationcontrolsystembasedonIoTtechnologyforunmannedboatshasimportantpracticalsignificanceforimprovingnavigationefficiency,reducingoperatingcosts,andimprovingsafety.ThispapertakesaIoT-basedunmannedshipastheresearchobject,anddesignsandimplementsasetofintelligentnavigationcontrolsystem.Thesystemusesmultiplesensorssuchasglobalpositioningsystem,inertialnavigationsystem,andultrasoundsensorfordataacquisition.ThePIDcontrolalgorithmisusedforshipstabilitycontrol.Itcombineswirelesscommunicationtechnologytoestablishamaster-slavenetworkcommunicationforremotecontrolandmulti-shipcoordinationcontrol.Throughexperimentalverification,thesystemcaneffectivelyimprovetheefficiencyofshipnavigation,reduceoperatingcosts,andimprovesafety.
Keywords:IoTtechnology;unmannedship,intelligentnavigationcontrolsystem;PIDcontrolalgorithm;multi-shipcoordinationcontrol
一、引言
随着物联网技术的快速发展，无人船作为典型应用之一，在水上航行、水下探测等领域具有广阔的应用前景。在无人船的设计中，控制系统是实现智能航行的核心。
为了提高无人船的航行效率、减少运营成本和提高安全性，需要设计一套基于物联网技术的智能航行控制系统。本文以一艘基于物联网技术的无人船为研究对象，设计并实现了一套智能航行控制系统。
二、系统设计
系统硬件框图如图1所示，其中，数据采集模块采用了全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、超声波传感器等多种传感器。采集到的数据经过预处理后，传送至控制模块。控制模块使用PID控制算法实现了船舶稳定性控制，结合无线通信技术建立主从式网络通信，实现了远程控制和多船协同控制。同时，在控制模块中设置了多个安全检测模块，实现对船舶运行状态的实时监测，确保安全航行。
图1硬件框图
三、系统实现
1.数据采集模块
数据采集模块的主要任务是采集环境中有关船舶运动的数据。采集到的数据包括船舶当前的经度、纬度、速度、航向角等。数据采集模块采用了多种传感器，包括GPS、INS和超声波传感器。
其中，GPS模块用于获取无人船当前所处的经度和纬度信息；INS模块用于获取无人船的姿态角、角速度和角加速度等信息；超声波传感器用于检测无人船的距离和深度等信息。
2.船舶稳定性控制
船舶稳定性控制是无人船智能航行控制系统的重要组成部分。为了实现船舶稳定性控制，采用了PID控制算法。PID控制算法是一种经典控制算法，通过对控制系统的比例、积分和微分三个环节进行调节，达到控制系统稳定的目的。
在本系统中，PID控制器的输入为无人船航向角度误差，输出为舵机转角。具体地，PID控制器的系数设置为Kp=0.6，Ki=0.5，Kd=0.15。
3.通信模块
通信模块是实现远程控制和多船协同控制的核心