水面无人艇(Unmanned Surface Vessel,USV),是一种能够自主航行、控制,并完成任务的水面舰艇。USV相对于传统的舰艇,具有体积小、无人驾驶、反应迅速、隐蔽性好,且续航能力较强等特性,因此广泛应用于自然灾害的监测与救助,争议海域的水文监测,海洋资源的探测,以及无人作战平台的构建等。水面无人艇的核心技术在于其自主性,主要体现在两个方面:一方面具有自主的规划能力,能够根据任务和运行环境规划出一条合理的行进路线,并且能够根据危险和障碍动态调整路线;另一方面就是能够实现航迹控制,使USV能够跟踪自主规划的航迹。本文以水面无人艇航迹控制系统的设计与实现为目标,对水面无人艇建模方法、航迹控制算法、硬件平台设计与实现等内容进行了研究。具体研究内容如下:1.研究了水面无人艇建模方法。在分析水面无人艇受到的重力、浮力、水动力和推进器推力的基础上,根据刚体动量定理和动量矩定理,建立了水面无人艇动力学模型。根据实际运行情况,对模型进行了合理简化,建立了二阶线性K-T方程。2.针对水面无人艇的航迹控制问题,采用间接式航迹控制结构,提出了一种基于视线导向法(Line Of Sight Guidance,LOS)和PID航向控制器的航迹跟踪控制方法。针对PID航向控制器的参数确定问题,采用离线整定初始值和在线动态调整的方式。离线整定的初始值使得控制器快速进入较优的控制状态,在线动态调整使得控制器能够适应建模误差、模型非线性和动态干扰。采用多种群遗传算法(Multi Population Genetic Algorithm,MPGA)离线整定PID参数,该方法克服了传统遗传算法容易陷入局部最优的问题,增强了算法的全局寻优能力。采用模糊方法实现对PID控制参数的动态调整,模糊方法以水面无人艇的航向差及变化率作为输入,根据模糊规则调整PID控制参数,增强了控制器的适应能力。对模糊自适应PID方法存在的过度调整问题,采取根据误差及其变化率终止动态调整的改进措施,提高了控制器的连续跟踪能力。3.完成了水面无人艇航迹控制系统硬件和软件的设计与实现。主要完成了核心板的电路设计和软件编程,包括:电源模块,用于整个系统的电源供给和管理;D/A模块,用于推进器的控制;串口通信,用于实现对传感器和通信设备的数据交互;串口扩展,用于解决F28335芯片串口通信资源不足的问题;SD卡存储,用于实现对运行关键数据的存储。在核心板的基础上,对水面无人艇和上位机的整体程序结构进行了设计和实现。4.对设计的航迹控制算法进行了仿真验证,对设计的硬件电路和程序进行了部分实验验证。仿真结果表明多种群遗传算法整定的PID控制器响应速度快、无超调、无稳态误差;改进的模糊自适应PID算法增强了控制器的稳定性;设计的航迹控制算法能够在传感器存在误差的情况下,实现对直线路径的跟踪控制,通过对传感器数据进行滤波处理,提高了航迹控制系统的稳定性。实验结果表明设计的电路和程序能够正常工作。