[發明專利]基于模型船的欠驅動無人船自主航行控制仿真系統及方法

有效

• 申請號: 201610033396.9
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105676871B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 初秀民;柳晨光;王樂;歐陽雪;謝朔;王桂沖
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

1.一種基于模型船的欠驅動無人船自主航行控制仿真系統，其特征在于：該仿真系統整體設置在模型船上，模型船設置于模擬航道中，模擬航道中設置有模擬環境因素；

該仿真系統包括環境感知子系統、路徑規劃子系統和運動控制子系統；其中

環境感知子系統用于采集模型船航行狀態和模擬環境因素信息，并分別發送給路徑規劃子系統和運動控制子系統；

路徑規劃子系統用于根據模型船航行狀態和模擬環境因素信息，進行航行規劃，得出跟蹤航線、設定航速及設定航向，發送給運動控制子系統；

運動控制子系統包括上位機、下位機和控制機構；上位機用于建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型，根據環境感知子系統得到的模型船航行狀態，與路徑規劃子系統得到的跟蹤航線、設定航速及設定航向進行比較，得出航線偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型結合航線偏差、航向偏差及航速偏差，計算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉速指令；下位機用于解析舵角和螺旋槳轉速指令，生成舵機控制信號和螺旋槳控制信號；控制機構用于根據舵機控制信號和螺旋槳控制信號控制舵機和螺旋槳；

所述的上位機還包括緊急避碰模塊，用于接收螺旋槳轉速、舵角值、模型船與障礙物之間的距離值，判斷是否需要緊急避碰，若需緊急避碰，立即生成避碰指令發送給下位機，若無需避碰，則將結果傳入航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型；

所述的環境感知子系統包括用于識別模型船船首和船尾的標志燈、用于測量模型船與距離其周圍一定范圍內障礙物之間距離的距離傳感器、用于識別障礙物的激光雷達、用于對障礙物進行定位的船載攝像頭；環境感知子系統還包括設置在岸基用于捕捉標志燈從而對模型船進行圖像識別定位的岸基單目攝像頭。

2.根據權利要求1所述的基于模型船的欠驅動無人船自主航行控制仿真系統，其特征在于：所述的運動控制子系統還包括遠程遙控模塊，用于通過遠程遙控操作進行應急保護。

3.根據權利要求1所述的基于模型船的欠驅動無人船自主航行控制仿真系統，其特征在于：所述的路徑規劃子系統運用人工勢能場算法計算障礙物對在航模型船的影響范圍，再利用A^*算法進行路徑規劃。

4.利用權利要求1所述的基于模型船的欠驅動無人船自主航行控制仿真系統實現的仿真方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、環境感知：

采集模型船航行狀態和模擬環境因素信息；具體包括：在模型船船首和船尾分別設置標志燈；在岸基設置岸基單目攝像頭用于捕捉標志燈從而對模型船進行圖像識別定位；測量模型船與距離其周圍一定范圍內障礙物之間距離；識別障礙物并對障礙物進行定位；

S2、規劃路徑：

根據模型船航行狀態和模擬環境因素信息，進行航行規劃，得出跟蹤航線、設定航速及設定航向；

S3、運動控制：

3.1、建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型；

3.2、根據模型船航行狀態，與跟蹤航線、設定航速及設定航向進行比較，得出航線偏差、航向偏差及航速偏差；

3.3、航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型結合航線偏差、航向偏差及航速偏差，計算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉速指令；

3.4、解析舵角和螺旋槳轉速指令，生成舵機控制信號和螺旋槳控制信號，控制舵機和螺旋槳；

S3還包括緊急避碰步驟，接收螺旋槳轉速、舵角值、模型船與障礙物之間的距離值，判斷是否需要緊急避碰，若需緊急避碰，立即生成避碰指令發送給下位機，若無需避碰，則將結果傳入航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型。

5.根據權利要求4所述的仿真方法，其特征在于：所述的S3還包括遠程遙控步驟，通過遠程遙控操作進行應急保護。

6.根據權利要求4所述的仿真方法，其特征在于：所述的S2運用人工勢能場算法計算障礙物對在航模型船的影響范圍，再利用A^*算法進行路徑規劃。