无人船与水下机器人实验平台

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无人船与水下机器人实验平台

概述

无人船与水下机器人实验平台是面向船舶与海洋工程、自动化、机器人工程等专业的水面/水下无人系统教学与科研平台。平台由无人船（USV）和遥控水下机器人（ROV）两部分组成，配合 Matlab/Simulink 仿真环境和传感器套件，提供水动力学建模、路径规划、姿态控制、水下目标探测等实验项目。

硬件层面，无人船采用双体船设计，搭载 GPS、惯性导航系统（INS）、摄像头、水声通信模块和推进器；ROV 水下机器人采用框架式结构，配备水下摄像头、LED 照明、机械手、深度传感器和脐带缆供电系统。软件层面，提供 Matlab/Simulink 专用工具箱，支持系统动力学建模、控制器设计和半实物仿真（HIL）。

功能要求

1. 无人船（USV）系统

• 双体船型设计，抗风浪能力强

• 配备 GPS 模块，支持差分定位（DGPS/RTK，可选）

• 配备 IMU，支持姿态解算和航向控制

• 支持自主巡航和远程遥控两种模式

• 有效负载能力 5-10kg

2. 水下机器人（ROV）系统

• 框架式结构，作业深度 50-100m（标准配置）

• 配备高清摄像头和 LED 照明

• 配备 2-3 功能机械手，支持水下作业

• 配备深度传感器和高度计

• 脐带缆供电，支持长时间水下作业

3. Matlab/Simulink 仿真

• 提供水动力学建模工具箱

• 支持 PID、滑模、模糊控制等控制器设计

• 支持 Hardware-in-the-Loop (HIL) 仿真测试

• 提供预置的 USV/ROV 仿真模型

4. 水声通信与定位

• 支持水声调制解调器通信（可选）

• 提供超短基线（USBL）定位系统（可选）

• 支持水面上下通信中继

• 集成水下 GPS（需要水声定位系统）

5. 导航与控制

• 支持 SLAM 建图（水下环境）

• 支持路径跟踪控制（Line-of-Sight、向量场）

• 支持编队协同控制（多 USV/ROV）

• 提供可视化监控软件

技术规格

参数	规格
USV 船型	双体船，船长 0.8-1.5m
USV 最大速度	2-3 m/s
USV 续航时间	2-4 小时
ROV 作业深度	50-100m（标准）/ 300m（可选）
ROV 推进器	4 轴矢量推进
ROV 摄像头	1080P 水下摄像机
定位精度	DGPS ±1m / RTK ±2cm（可选）
仿真软件	Matlab R2021b+ / Simulink

配套课程与实验项目

序号	课程名称	实验项目
1	船舶原理	无人船水动力学建模与阻力分析实验
2	水下机器人技术	ROV 结构设计、水密性测试与组装实验
3	姿态控制	基于 PID 的无人船航向与姿态控制实验
4	Matlab/Simulink 仿真	USV/ROV 动力学建模与控制器仿真实验
5	水下导航定位	水声通信原理与 USBL 定位系统实验
6	水下 SLAM	基于视觉/声呐的水下环境建图实验
7	路径规划	水面/水下机器人路径规划与跟踪实验
8	协同控制	多 USV 编队协同航行控制实验