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研究生: 張秉洋
Zhang, Bing-Yang
論文名稱: 應用模糊理論於無人船之航線追蹤及操船控制研究
Research on ship route tracking and maneuvering control of ASV using Fuzzy Theory
指導教授: 趙儒民
Chao, Ru-Min
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2023
畢業學年度: 111
語文別: 中文
論文頁數: 118
中文關鍵詞: 模糊控制航線追蹤偏移量操船控制
外文關鍵詞: fuzzy control, route tracking, offset, maneuvering control
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  • 本研究結合了模糊理論,並整合於美商國家儀器的myRIO嵌入式控制器,通過使用LabVIEW編寫程式並結合感測器進行軟硬體整合,達成點對點的航線追蹤之目的。
    感測器運用GPS模組與陀螺儀計算出實驗船與目標點之間的導航角與距離,前人在參數上以設定角度與實際航向角計算的誤差角及誤差角度變化量作為輸入並輸出舵角進行控制,但往往會因為海浪、流等因素產生5~8m的偏移量,所以吾人採用誤差角及偏移量作為輸入條件並控制轉速及舵角,與前人的差異在於參數上選用不同及控制參數數量不同,前人為多輸入單輸出(MISO),吾人為多輸入多輸出(MIMO)進行研究。模糊控制在歸屬函數、規則庫設計相當重要,利用模擬的方式調整控制器參數再進行航線測試驗證控制器性能。通過實際測試直線航行最大偏移量在1~2公尺左右,平均偏移量在1公尺左右,並能成功完成航行追蹤,與前人的研究偏移量改善了許多。實驗中在轉彎處會有較大的偏差值,所以吾人透過實驗的方式提供在轉彎時較佳的操船控制。在實務面設計之模糊控制器能與業界船舶達到初步的航行任務,在未來將參數進行修正達到與實驗船相同的結果。

    This study combines fuzzy theory and integrates it into the myRIO embedded controller from National Instruments. By using LabVIEW programming and integrating sensors, the study achieves point-to-point route tracking. The sensor uses GPS module and gyroscope to calculate the navigation angle and distance between the experimental vessel and the target point. Previous research uses the angle error calculated from the set angle and the actual heading angle and the variation of the angle error as the input and output rudder angle for controlling in the parameter, but it often generates an offset of 5-8m due to the waves, currents, etc. Therefore, we use the angle error and the offset as the input condition to control the rotational speed and the rudder angle. The difference between the fuzzy control and previous research was in the selection of parameters and the number of control parameters. Previous research was multiple-input single-output (MISO), while this study was multiple-input multiple-output (MIMO). Fuzzy control was crucial in designing membership function and rule base. The controller parameters were adjusted by simulation and then tested for performance in route tracking. Through actual experiment, the maximum offset of the navigation was about 1~2 meters, and the average offset was about 1 meter, and the navigation tracking can be successfully completed, which was greatly improved compared to previous research. In the experiment, larger deviation value in the turn, so the study provides a better maneuvering control in the turn through the experiment. In practical applications, the designed fuzzy controller can achieve initial navigation tasks with industrial vessel, and in the future, parameter adjustments will be made to achieve the same results as the experimental vessel.

    摘要 I 致謝 IV 目錄 V 圖目錄 IX 表目錄 XV 符號表 XVII 第1章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻探討 4 1.3 研究方法 6 1.4 論文架構 7 第2章 無人船系統架構 9 2.1 系統架構介紹 9 2.1.1 陀螺儀WT901C 12 2.1.2 ublox NEO-M8衛星接收模組 13 2.2 通訊系統 16 2.2.1 TCP傳輸 17 2.2.2 資料格式與整合 17 第3章 模糊理論 20 3.1 模糊理論概述 20 3.2 模糊控制架構 21 3.3 模糊化 22 3.3.1 模糊集合 23 3.3.2 歸屬函數 25 3.4 模糊資料規則庫 27 3.5 模糊推論 28 3.6 解模糊化 30 第4章 模糊航線控制器設計與參數模擬 38 4.1 軟體硬體整合架構 38 4.2 誤差角與偏移量 40 4.2.1 航向誤差角(θ_e)與航行偏移誤差角(θ_L) 40 4.2.2 航行偏移量(d_i) 44 4.3 模糊控制器設計 47 4.3.1 單變數模糊航線控制器 48 4.3.2 多變數模糊航線控制器 52 4.4 船舶模擬位置移動路徑計算 56 4.5 船舶操控參數與性能 59 4.5.1 船速控制 60 4.5.2 轉向角速度控制 62 4.6 參數選用模擬比較 64 4.6.1 航向誤差角(θ_e)、航行偏移誤差角(θ_L)規則選用 64 4.6.2 誤差角輸入歸屬函數模擬選用 67 4.6.3 兩種規則庫模擬結果 69 第5章 實船測試與路徑模擬 71 5.1 自主航行設計與規劃 71 5.2 五點及七點路徑模糊航線控制器航行實驗 73 5.2.1 海浪影響陀螺儀的問題 76 5.2.2 航行路徑超出目標航線問題 77 5.2.3 海流的影響:七點路徑模擬 78 5.2.4 歸屬函數調整 81 5.3 大角度轉向的操船對策 85 5.3.1 轉速提升對轉彎的影響與改善 87 5.4 模糊控制器設計缺失與建議 96 5.4.1 Case 2與Case 1輸出比較 99 5.5 轉向操船邏輯及模糊控制器修改後測試 102 5.6 偏移量計算方式修改 105 5.7 智龍一號測試結果 108 第6章 結論與未來工作 112 6.1 結論 112 6.2 未來發展方向 114 參考文獻 116

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    下載圖示
    2026-07-24公開
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