[發(fā)明專利]一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810294946.1
• 申請(qǐng)日: 2018-04-04
• 公開（公告）號(hào): CN108427416B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊尹;王杰俊;沈雪峰;曹勇;王祝帆;李早玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 上海宣宜專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31288
• 代理人: 劉君

本發(fā)明提供了一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包括導(dǎo)航系統(tǒng)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)用于獲取無人船位置、航向和速度的信息；顯示設(shè)備，所述顯示設(shè)備用于存儲(chǔ)期望的無人船直線軌跡參數(shù)和顯示無人船狀態(tài)信息；自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器，所述自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器用于計(jì)算控制量并將控制量輸出給電子調(diào)速器，所述電子調(diào)速器用于控制螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，本發(fā)明提出的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了兩側(cè)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)，而是將螺旋槳繞旋轉(zhuǎn)軸和船體固定，通過設(shè)計(jì)的控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)左右兩個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)無人船轉(zhuǎn)向控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，具體涉及到一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)

隨著GNSS高精度衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的普及，海洋測(cè)繪已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的重要方向，而無人船作為海洋測(cè)繪設(shè)備如測(cè)深儀等設(shè)備的載體平臺(tái)，在測(cè)繪作業(yè)中發(fā)揮了重要作用。如圖1所示，傳統(tǒng)的無人船動(dòng)力系統(tǒng)由左右兩個(gè)推進(jìn)螺旋槳和左右兩個(gè)轉(zhuǎn)向舵機(jī)組成，通過螺旋槳提供前進(jìn)動(dòng)力，并且通過舵機(jī)帶動(dòng)左右螺旋槳繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而改變螺旋槳推進(jìn)力方向，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向力矩以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在許多中小型無人船使用的轉(zhuǎn)向舵機(jī)往往是塑料部件，在轉(zhuǎn)向過程中由于齒輪磨損，非常容易導(dǎo)致舵機(jī)損壞，因此極大地影響了無人船系統(tǒng)可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述的缺陷，本發(fā)明提供了一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及控制方法，以替代傳統(tǒng)舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制方式。本發(fā)明提出的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了兩側(cè)的轉(zhuǎn)向舵機(jī)，而是將螺旋槳繞旋轉(zhuǎn)軸和船體固定，通過設(shè)計(jì)的控制算法，自動(dòng)調(diào)節(jié)左右兩個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)無人船轉(zhuǎn)向控制。

本發(fā)明提供了一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包括導(dǎo)航系統(tǒng)，所述導(dǎo)航系統(tǒng)用于獲取無人船位置、航向和速度的信息；顯示設(shè)備，所述顯示設(shè)備用于存儲(chǔ)期望的無人船直線軌跡參數(shù)和顯示無人船狀態(tài)信息；自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器，所述自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器用于計(jì)算控制量并將控制量輸出給電子調(diào)速器，所述電子調(diào)速器用于控制螺旋槳電機(jī)轉(zhuǎn)速。

上述的一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其中，還包括無線傳輸模塊、螺旋槳直流無刷電機(jī)，所述無線傳輸模塊用于通過無線傳輸方式獲取顯示設(shè)備的軌跡數(shù)據(jù)，所述螺旋槳直流無刷電機(jī)用于帶動(dòng)螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)，所述自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器用于計(jì)算控制量并將控制量以PWM脈寬信號(hào)的形式輸出給電子調(diào)速器，所述導(dǎo)航系統(tǒng)為GNSS和IMU組合的導(dǎo)航系統(tǒng)，所述顯示設(shè)備為地面站顯示設(shè)備。

上述的一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，其中，所述GNSS和IMU組合的導(dǎo)航系統(tǒng)通過串口輸出位置、航向、速度信息給自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器，所述地面站顯示設(shè)備通過無線傳輸模塊輸出存儲(chǔ)的期望軌跡參數(shù)給自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器，所述電子調(diào)速器對(duì)螺旋槳直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

本發(fā)明的另一面提供了一種無人船差速自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，包括以下步驟：

步驟(1):獲取無人船位置、航向和速度信息；

步驟(2):計(jì)算無人船的橫向偏差和航向偏差；

步驟(3):建立無人船線性化運(yùn)動(dòng)學(xué)狀態(tài)空間模型；

步驟(4):計(jì)算轉(zhuǎn)向控制量；

步驟(5):計(jì)算PWM信號(hào)脈寬。

上述的方法，其中，所述步驟(1)具體包括：通過GNSS接收機(jī)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，獲取更高精度的位置和航向信息，需要使用RTK實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)差分定位技術(shù)；以及通過IMU測(cè)量無人船自身的角速度和加速度信息，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波算法進(jìn)行融合，輸出濾波后的無人船位置坐標(biāo)x和y、航向yaw和速度v。

上述的方法，其中，所述步驟(2)具體包括：取北向坐標(biāo)系為x方向，東向坐標(biāo)系為y方向，期望直線軌跡的航向?yàn)镈yaw，期望直線軌跡方程為：

ax+by+c＝0 (公式1)