[發(fā)明專利]一種無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)及其控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910164055.9
• 申請日: 2019-03-05
• 公開（公告）號: CN109808853A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝少榮;王純新;張丹;陳匯資;彭艷;李孝偉;羅均;蒲華燕;柯俊
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: B63B49/00
• 分類號: B63B49/00;B63B35/00;G01S17/93;B63H25/06
• 代理公司: 鄭州翊博專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41155
• 代理人: 付紅莉;周玉青

本發(fā)明屬于無人艇技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)及其控制方法，所述無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)包括控制器、制導(dǎo)系統(tǒng)、氣象儀和擾動(dòng)觀測器；所述控制器與制導(dǎo)系統(tǒng)、擾動(dòng)觀測器連接，所述氣象儀與擾動(dòng)觀測器連接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，航速控制器、艏向控制器均與驅(qū)動(dòng)無人艇行駛的動(dòng)力裝置連接。本發(fā)明的無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)利分級控制的方式，可實(shí)現(xiàn)對無人艇的航速和艏向的單獨(dú)控制，提高無人艇航速和艏向的控制效率與精度，使無人艇按照設(shè)定的測線航行，極大地提高了無人艇航行的精準(zhǔn)度，同時(shí)也解決了解決復(fù)雜海況下無人艇偏航過大的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人艇技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)及利用該控制系統(tǒng)控制無人艇艏向航速的方法。

背景技術(shù)

隨著國家海洋戰(zhàn)略的逐步擴(kuò)大，海圖測繪在海洋科技領(lǐng)域的地位日益提高。其中，無人艇作為新興的智能化運(yùn)載平臺，憑借其體積小、吃水淺以及無人化等特點(diǎn)受到越來越多的青睞。通過搭載不同的模塊完成不同的任務(wù)需求，海圖測繪過程則需搭載聲納設(shè)備，無人艇的出現(xiàn)也彌補(bǔ)了近岸海圖的空白。然而海圖測繪過程中要求無人艇沿設(shè)定的測線航行，并且要保證艏向和航速穩(wěn)定在允許誤差范圍內(nèi)。這對于在復(fù)雜海況中作業(yè)的無人艇來說，其環(huán)境感知能力和自主修正能力需大幅提升，從而對控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。因此，保證無人艇海圖測繪過程中的精準(zhǔn)度，提高海圖測繪質(zhì)量，需要一套控制系統(tǒng)應(yīng)用于無人艇。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)及利用該控制系統(tǒng)控制無人艇艏向航速的方法。

為實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)，包括控制器、制導(dǎo)系統(tǒng)、氣象儀和擾動(dòng)觀測器；所述控制器與制導(dǎo)系統(tǒng)、擾動(dòng)觀測器連接，所述氣象儀與擾動(dòng)觀測器連接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，航速控制器、艏向控制器均與驅(qū)動(dòng)無人艇行駛的動(dòng)力裝置連接。所述控制器屬于無人艇的控制核心，用于無人艇整個(gè)測繪過程航速和艏向的精準(zhǔn)控制；其中，航速控制器通過設(shè)定航速與反饋的實(shí)時(shí)航速之間的誤差，結(jié)合擾動(dòng)觀測器對外界擾動(dòng)的估計(jì)值，將設(shè)定航速和反饋的實(shí)時(shí)航速之間的誤差縮小至一定范圍甚至使其收斂，并將航速控制參數(shù)信號輸出至無人艇的動(dòng)力裝置，對無人艇的航速進(jìn)行控制；艏向控制器通過設(shè)定艏向角與反饋的實(shí)時(shí)艏向角之前的誤差，結(jié)合擾動(dòng)觀測器對外界擾動(dòng)的估計(jì)值，將設(shè)定艏向角和反饋的實(shí)時(shí)艏向角之間的誤差縮小至一定范圍甚至使其收斂，并將艏向角控制參數(shù)信號輸出至無人艇的動(dòng)力裝置，對無人艇的艏向進(jìn)行控制。所述制導(dǎo)系統(tǒng)用于根據(jù)設(shè)定航線和實(shí)際海況為無人艇實(shí)時(shí)提供參照航線，并將參照航線傳輸給控制器。所述氣象儀用于觀測海上風(fēng)浪的情況并將風(fēng)浪信息傳輸給擾動(dòng)觀測器。所述擾動(dòng)觀測器根據(jù)接收的風(fēng)浪信號估算海上風(fēng)浪對無人艇航速和艏向的擾動(dòng)結(jié)果，并將擾動(dòng)結(jié)果傳輸給控制器。

根據(jù)上述的無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)，優(yōu)選地，無人艇的動(dòng)力裝置包括油門和舵，所述油門根據(jù)航速控制器輸出的航速控制參數(shù)信號實(shí)時(shí)調(diào)整無人艇的航速，保證航速在設(shè)定航速值附近；所述舵根據(jù)艏向控制器輸出的艏向角控制參數(shù)信號實(shí)時(shí)調(diào)整無人艇的艏向角，保證艏向角在設(shè)定艏向角值附近。

根據(jù)上述的無人艇艏向航速分級控制系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述制導(dǎo)系統(tǒng)包括導(dǎo)航模塊、避障模塊和路徑規(guī)劃模塊，所述路徑規(guī)劃模塊與導(dǎo)航模塊、避障模塊、控制器連接。所述導(dǎo)航模塊通過陀螺儀測量無人艇的艏向角速度并將信號傳遞給路徑規(guī)劃模塊，以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的作用；所述避障模塊主要由激光雷達(dá)組成，通過激光雷達(dá)發(fā)射激光束探測無人艇周圍障礙物的位置、速度等特征量，并將這些特征量信號傳輸給路徑規(guī)劃模塊，等待路徑規(guī)劃模塊決策；所述路徑規(guī)劃模塊接收導(dǎo)航模塊和避障模塊傳輸?shù)男畔ⅲ⒔Y(jié)合LOS算法（Lin ofsight，視線法）對無人艇實(shí)際測繪過程中的設(shè)定測線進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，路徑規(guī)劃模塊接收障礙物信號后根據(jù)障礙物情況實(shí)時(shí)更新設(shè)定測線，并將更新后的設(shè)定測線傳輸給控制器。