[發明專利]一種基于風能驅動的無人船及其航行控制方法

在審

• 申請號: 201611228697.3
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN106741782A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 吳青;吳超;馬楓;謝朔;王樹武
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B63H9/06
• 分類號: B63H9/06;G05D1/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 王丹

技術領域

本發明屬于海事安全領域，具體涉及一種基于風能驅動的無人船及其航行控制方法。

背景技術

利用船舶上所攜帶的各種設備，可完成對島礁、河流、航道、水庫、港灣區域測量和監測，海事部門或相關機構可利用獲得的測量數據用于地形地貌繪制、流速流量計算、遇險船舶或人員搜救等。然而，現今的上述任務都是由人工完成。遠距離遙控船舶在進行作業時，操控人員可能會因為視線或操控距離等因素的影響，產生判斷失誤，導致風險的發生。

隨著智能控制技術的發展，海事部門及相關機構對能自主航行的無人船的關注度也越來越高。現有無人船動力系統一般為電力驅動或者使用小型汽油發動機，航程短、續航時間有限是其普遍存在的問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于風能驅動的無人船及其航行控制方法，能夠保證長時間續航而無需燃料補給。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于風能驅動的無人船，包括船體，船體的尾部設有舵，船體內設有航行控制系統，其特征在于：所述的船體上設有桅桿，桅桿上設有主帆和前帆；本無人船還包括太陽能供電系統、環境感知設備和定位裝置；其中，

所述的太陽能供電系統包括太陽能電池板和儲能裝置，儲能裝置的輸出端分別與環境感知設備、定位裝置和航行控制系統連接；

所述的環境感知設備包括激光雷達、雷達、紅外攝像頭、風向風速傳感器，其中激光雷達設置在船體艏部的自穩云臺上，雷達和紅外攝像頭設置在桅桿頂部，風向風速傳感器設置在桅桿上；

所述的航行控制系統包括用于根據環境感知設備采集的信息、定位裝置的實時定位信息、以及預設的任務重點位置規劃路徑的船載處理器，以及用于根據船載處理器的結果控制主帆、前帆與風向之間的角度和舵角的PID控制器。

按上述方案，所述的太陽能電池板設置在主帆、前帆和/或船體的甲板上。

一種上述基于風能驅動的無人船的航行控制方法，其特征在于：它包括：

根據輸入的任務重點位置和定位裝置獲取的船體當前所在位置，規劃船體的航行路徑；

根據規劃的航行路徑，結合船體實時的航向和航速、風向，根據伯努利效應，計算得出船體按照航行路徑航行時主帆、前帆分別與風向之間的角度，同時實時獲取風向與船體的航行路徑的角度偏差值，通過PID控制器實時調整主帆、前帆與風向之間的角度以及舵角；

當有礙航物出現時，利用人工勢場理論，計算礙航物的斥力場分布范圍，并與所規劃的航行路徑相比較，若礙航物斥力場分布范圍波及到航行路徑，則利用A^*算法計算一條避開礙航物的最短路徑，避開礙航物之后，重新回到原航行路徑上繼續航行。

本發明的有益效果為：本發明利用帆船這一古老的水上交通工具，利用風能作為驅動力，只需要采集一些太陽能以供航行控制系統的運行即可，實現污染物零排放，并且能夠保證長時間續航而無需燃料補給，通過調節風帆的位置和角度，即使在逆風情況下也能順利航行。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的結構示意圖。

圖2為本發明一實施例的控制原理圖。

圖3為礙航物斥力場分布示意圖。

圖4為A^*算法路徑規劃示意圖。

圖5為PID控制流程示意圖。

圖中：1-船體，2-舵，3-航行控制系統，4-桅桿，5-主帆，6-前帆，7-太陽能電池板，8-雷達和紅外攝像頭，9-風向風速傳感器，10-激光雷達，11-定位裝置。

具體實施方式

下面結合具體實例和附圖對本發明做進一步說明。

本發明提供一種基于風能驅動的無人船，如圖1所示，包括船體1，船體1的尾部設有舵2，船體1內設有航行控制系統3，船體1上設有桅桿4，桅桿4上設有主帆5和前帆6；本無人船還包括太陽能供電系統、環境感知設備和定位裝置11；其中，所述的太陽能供電系統包括太陽能電池板7和儲能裝置，儲能裝置的輸出端分別與環境感知設備、定位裝置11和航行控制系統3連接；所述的環境感知設備包括激光雷達10、雷達和紅外攝像頭8、風向風速傳感器9，其中激光雷達10設置在船體1艏部的自穩云臺上，雷達和紅外攝像頭8設置在桅桿4頂部，風向風速傳感器9設置在桅桿4上；航行控制系統3包括用于根據環境感知設備采集的信息、定位裝置的實時定位信息、以及預設的任務重點位置規劃路徑的船載處理器，以及用于根據船載處理器的結果控制主帆、前帆與風向之間的角度和舵角的PID控制器。