[發明專利]一種無人船動力定位系統及方法

在審

• 申請號: 201710118812.X
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106773741A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 洪曉斌;龔仕楓
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05D1/02
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司11340
• 代理人: 劉黎明

技術領域

本發明涉及一種無人船動力定位方法及系統，尤其涉及一種基于智能控制的無人船動力定位方法及系統。

背景技術

隨著我國創新驅動發展戰略的實施，水面無人運輸工具、水面無人監測系統、水面無人作業平臺等無人船技術，在物聯網、大數據、云計算、人工智能的有力推動下暫露頭角，無人船領域已然成為下一片產業藍海，具有廣闊的研究和應用空間。

無人船在海洋上航行時會遇到風浪流等外部環境的干擾，如果要使無人船與海面上某基準線保持一定位置，船必須有產生反向力和力矩的能力。目前，在有人船領域，若想要使船舶對某一特定的位置保持船位時，船舶的泊錨索或者推力器可以有效地產生反向力和力矩去抵抗外界的干擾力。一般有人船采用泊錨索對船舶進行定位時，錨索從船體向四周拋出，但是由于隨著水深的增加，這就要求錨索系統具有大的重量，隨著錨索系統的重量增加，拋錨的困難性會加大。在實際中，若達到一定的水深時，錨索系統會完全無用。錨索系統不適用在無人船上。

推進器與錨泊系統不同，它可以在任意水深的時候提供推力和力矩來抵抗外界的環境擾動，從成本上來說，錨泊系統的成本會隨水深的增加而增加，而推進器的成木卻與水深沒有太大的關系。所以應用推進器來產生力和力矩去抵抗外界環境的干擾，從而保持船的位置和航向是一種理想的辦法。所以，在無人船上使用動力定位方法及系統可行性很高。

動力定位系統是自動控制船舶位置和航向的系統，該系統只依賴自身的推進系統。由自身裝備的各種傳感器測量出船舶運動的位置和航向，利用計算機進行復雜的實時計算，進而控制船舶的推力裝置產生推進力和力矩去抵抗由外界環境引起的干擾力，使船舶保持目標的船位和船舶向。船舶利用動力定位系統，可以在錨泊系統不起作用的深水區域進行操作。動力定位系統能使船舶固定在一定的位置，還可以根據實時的風浪流的方向自動地調節船舶的蹭向到最優的期望位置。

無人船水上作業環境復雜多變，不同水環境的水流狀態、水底地貌、水面氣象迥異，風阻力、靜水阻力、波浪阻力等向無人船施加阻力的綜合作用，影響動力定位準確性和航行穩定性。無人船作業任務種類繁多，作業過程中，由于船上設備和作業對象的移動及旋轉，重心、吃水、艏向等狀態時刻變化，浮性、穩性等關鍵航行性能受到牽制，危害無人船動力定位穩定性和航行可靠性。研究無人船在多因素作用下的水動力模型，明確單因素作用效果和多因素綜合效應，形成無人船水動力模型一般標準，是無人船研究的關鍵性工作。與此同時，無人船作為全新的水面運輸工具，涉及智能網絡測控、最佳路徑規劃、實時航行決策、無線網絡通信等多學科問題，具有高度關聯性和耦合性，對包含環境感知、動力推進、解耦算法等在內的無人船推進及控制技術提出巨大挑戰。傳統船舶操縱上十分依賴船舶班組的航行經驗，不宜用于無人船在復雜作業環境下的動力定位。加快無人船新型推進系統和推力控制方法革命，在無人船核心關鍵器件與控制算法首先取得突破，形成持續性的自主創新能力和研發積累效應，是從深度和廣度兩個角度引領產業發展的要義。

發明內容

為解決上述中存在的問題與缺陷，本發明提供了一種無人船動力定位系統及方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種無人船動力定位系統，包括：傳感器測量系統、控制系統、動力和推進系統；

所述傳感器測量系統，包括導航定位模塊、環境感知模塊和內部監測模塊；

所述導航定位模塊、環境感知模塊和內部監測模塊分別集成于相應的傳感器，并都通過CAN總線連接到核心控制模塊進行數據的處理；

所述控制系統，包括高層控制和底層控制；用于控制船舶位置和航向角的一個多變量的反饋控制系統；

所述動力和推進系統，包括輸電設備、推進器和動力機械及輔助系統，用于提供控制器輸出的力和力矩。

一種無人船動力定位方法，包括以下步驟：

步驟A建立一個無人船水動力模型；

步驟B將測量機構測出的無人船位置和舶向角信息進行處理，得出實際的無人船位置和艏向角；

步驟C將期望的位置和艏向角信號與實際值進行比較，得出實際值與期望值的偏差信號；

步驟D設計無人船動力定位的控制算法，計算出抵抗位置偏移以及外界干擾的恢復力和力矩，使偏差的平均值減小到最小；

步驟E利用多矢量推力最優分配算法，將推進器的推力和方位角以及舵角等控制的指令分配到各個推進器。

本發明提供的技術方案的有益效果是：