[發明專利]面向無人艇編隊的智能控制系統及控制方法

在審

• 申請號: 201711404558.6
• 申請日: 2017-12-22
• 公開（公告）號: CN108153311A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 徐海祥;廖剛;周志杰;劉夢佳;余文曌
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05D1/12;G08C17/02
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 胡鎮西;李滿

1.一種面向無人艇編隊的智能控制系統，其特征在于：它包括岸基監控系統(1)、跟隨艇系統(2)、領航艇系統(3)和無線通訊系統(4)，岸基監控系統(1)包括無人艇編隊航跡顯示系統(11)、領航艇運動控制系統(12)和跟隨艇運動控制系統(13)，所述跟隨艇系統(2)包括嵌入式控制系統(21)、跟隨艇導航定位系統(22)和跟隨艇運動執行系統(23)，所述領航艇系統(3)包括控制系統(31)、領航艇導航定位系統(32)和領航艇運動執行系統(33)，所述無人艇編隊航跡顯示系統(11)、領航艇運動控制系統(12)、跟隨艇運動控制系統(13)、嵌入式控制系統(21)、跟隨艇導航定位系統(22)、跟隨艇運動執行系統(23)、控制系統(31)、領航艇導航定位系統(32)和領航艇運動執行系統(33)的數據通信端均接入無線通訊系統(4)的通信接口；

所述無人艇編隊航跡顯示系統(11)用于接收無人艇編隊中各個無人艇的位置和艏向信息，從而顯示各個無人艇的運動軌跡；

所述領航艇運動控制系統(12)用于給領航艇發送設定路徑；

所述跟隨艇運動控制系統(13)具有應急遙控模式和智能跟蹤模式，各個無人艇可以自主航行時，跟隨艇采用智能跟蹤模式，自主按預設的編隊隊形跟隨領航艇，在無人艇編隊中有一個無人艇無法自主航行時，可采用應急遙控模式，人為遙控跟隨艇；

所述領航艇導航定位系統(32)用于獲取領航艇自身實時位置和艏向信息；

控制系統(31)用于根據獲取的領航艇實時位置和艏向信息，以及領航艇運動控制系統(12)輸送的設定路徑，通過循跡算法得到領航艇所需要的推力與轉動力矩，并通過推力轉速特性曲線的轉換算法轉化為領航艇電機的轉速和舵機的轉角；

領航艇運動執行系統(33)按照控制系統(31)計算出轉速和轉角，驅動領航艇電機和舵機的運轉，從而驅使領航艇沿設定路徑航行；

所述跟隨艇導航定位系統(22)用于獲取當前跟隨艇自身實時位置和艏向信息；

所述嵌入式控制系統(21)用于根據獲取的當前跟隨艇的實時位置和艏向信息，采用智能跟蹤模式按設定的跟隨編隊隊形生成領航艇跟蹤控制指令，對領航艇跟蹤控制指令通過循跡算法得到當前跟隨艇所需要的推力與轉動力矩，并通過推力轉速特性曲線的轉換算法轉化為當前跟隨艇電機的轉速和舵機的轉角；

所述跟隨艇運動執行系統(23)按照嵌入式控制系統(21)計算出轉速和轉角，驅動當前跟隨艇的電機和舵機的運轉，從而驅使跟隨艇運動，形成設定的編隊形式。

2.根據權利要求1所述的面向無人艇編隊的智能控制系統，其特征在于：在跟隨艇處于智能跟蹤模式下，跟隨艇的整體控制流程如下：

嵌入式控制系統(21)通過跟隨艇導航定位系統(22)獲得跟隨艇的實時位置和艏向信息，通過領航艇導航定位系統(32)獲得領航艇的實時位置和艏向信息，嵌入式控制系統(21)的數據處理模塊通過對跟隨艇實時位置進行微分得到跟隨艇航行速度，嵌入式控制系統(21)中的數據處理模塊將估算的跟隨艇航行速度傳輸給嵌入式控制系統(21)的控制模塊，該控制模塊首先建立固定坐標系XOY，即北東坐標系和隨艇坐標系xoy，所述固定坐標系XOY用于描述無人艇位置和方向，所述隨艇坐標系xoy用于描述無人艇的速度，然后計算在隨艇坐標系xoy下的跟隨艇相對領航艇的縱向偏差Δx、橫向偏差Δy、艏向偏差Δψ、以及速度偏差Δυ，并將跟隨艇相對領航艇的縱向偏差Δx、橫向偏差Δy轉化到固定坐標系XOY下，然后設定跟隨艇相對領航艇的縱向偏差Δx、橫向偏差Δy的期望值，即編隊隊形相對值縱向偏差為ρ₀，橫向偏差為ρ₁，艏向保持一致，通過跟隨艇相對領航艇的縱向偏差Δx、縱向偏差Δx的期望值和速度偏差Δυ來通過增量式PID控制方法計算當前跟隨艇所需要的推力，通過跟隨艇相對領航艇的橫向偏差Δy、橫向偏差Δy的期望值和艏向偏差Δψ通過增量式PID控制方法計算隨艇所需要的轉動力矩。

3.根據權利要求2所述的面向無人艇編隊的智能控制系統，其特征在于：嵌入式控制系統(21)中的數據處理模塊包括數據預處理器和濾波器，數據預處理器用于將跟隨艇實時位置和艏向信息進行野值剔除、時間對準及空間對準處理，然后對數據預處理之后的跟隨艇實時位置和艏向信息進行濾波處理，濾除干擾信號。