[發(fā)明專利]一種無人艇航行串級控制系統(tǒng)及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010097992.X
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111208824B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王曰英;董佳煜;彭艷;羅均;謝少榮;蒲華燕
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海新隆知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31366
• 代理人: 金利琴

1.一種無人艇航行串級控制系統(tǒng)，其特征在于，包括制導(dǎo)系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)和無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)；所述無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)感知航行信息并將該信息傳輸給所述制導(dǎo)系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)，所述無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)包括導(dǎo)航傳感器模塊，距離感知模塊和干擾感知模塊；所述制導(dǎo)系統(tǒng)包括任務(wù)導(dǎo)航模塊，反應(yīng)式避障模塊，海事規(guī)則避障模塊和路徑規(guī)劃模塊；所述串級控制系統(tǒng)包括主反饋回路和副反饋回路；其中副反饋回路包括無人艇船體模型辨識系統(tǒng)，無人艇姿態(tài)反饋系統(tǒng)和副控制器，主反饋回路包括主控制器，動力驅(qū)動系統(tǒng)，無人艇軌跡反饋系統(tǒng)，所述主控制器采用增量式PID控制器；

所述制導(dǎo)系統(tǒng)與主反饋回路中的主控制器和無人艇軌跡反饋系統(tǒng)連接；所述副反饋回路在主反饋回路的內(nèi)部，其中所述主控制器與副控制器和無人艇姿態(tài)反饋系統(tǒng)連接，所述副控制器與無人艇船體模型辨識系統(tǒng)連接；所述無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)與無人艇船體模型辨識系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)連接；所述制導(dǎo)系統(tǒng)通過無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)提供的實時數(shù)據(jù)對無人艇的航跡進行規(guī)劃，并且將規(guī)劃航跡傳輸給所述主反饋回路；

所述制導(dǎo)系統(tǒng)中，所述任務(wù)導(dǎo)航模塊，反應(yīng)式避障模塊，海事規(guī)則避障模塊分別與所述路徑規(guī)劃模塊連接；所述任務(wù)導(dǎo)航模塊是根據(jù)具體任務(wù)要求對航跡進行規(guī)劃的模塊，并將任務(wù)要求傳輸給路徑規(guī)劃模塊；所述反應(yīng)式避障模塊主要通過雷達獲取障礙物的位置和速度特征信息，并且將這些信息傳輸給路徑規(guī)劃模塊；所述海事規(guī)則避障模塊使無人艇遵守海事規(guī)則；所述路徑規(guī)劃模塊接受任務(wù)導(dǎo)航模塊，反應(yīng)式避障模塊和海事規(guī)則避障模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并結(jié)合視線法對已經(jīng)生成的航跡進行實時的更新，并將更新的航跡傳輸給所述主反饋回路；

所述副控制器采用增量式PD控制器，所述無人艇船體模型辨識系統(tǒng)主要是通過所述無人艇環(huán)境感知模塊中的傳感器確定當前無人艇的航行姿態(tài)并且接受所述副控制器的控制指令調(diào)整無人艇的航行姿態(tài)；所述無人艇姿態(tài)反饋系統(tǒng)用于將無人艇當前的姿態(tài)傳輸給所述副控制器，使副控制器產(chǎn)生合適的控制指令；當外界出現(xiàn)干擾時，所述副反饋回路通過接受無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)傳輸?shù)耐饨绺蓴_信息，快速調(diào)節(jié)自身的航行姿態(tài)以達到消除外界干擾的目的。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇航行串級控制系統(tǒng)，其特征在于，所述動力驅(qū)動系統(tǒng)按照主控制器輸出指令給無人艇提供動力輸出，保證無人艇的正常航行；無人艇軌跡反饋系統(tǒng)將無人艇當前的航跡傳輸給所述制導(dǎo)系統(tǒng)，通過與期望軌跡作差得到誤差項，將誤差項傳輸給所述主控制器，所述主控制器發(fā)出控制指令消除誤差，從而達到高精度跟蹤期望航跡的目的。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人艇航行串級控制系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)航傳感器模塊包括GPS和慣性導(dǎo)航模塊；所述距離感知器模塊包括ka波段雷達，海事雷達，360度光學(xué)相機；所述干擾感知模塊包括多普勒海流傳感器和風(fēng)速傳感器；其中所述多普勒海流傳感器，風(fēng)速傳感器可以獲得實時的風(fēng)浪數(shù)據(jù)，無人艇船體模型辨識系統(tǒng)結(jié)合這些數(shù)據(jù)對無人艇的當前姿態(tài)進行調(diào)整；所述ka波段雷達，海事雷達，360度光學(xué)相機，GPS和慣性導(dǎo)航模塊用于獲得無人艇縱向、橫向和艏搖方向上的位置、角度和速度信息，并將該些信息傳輸至無人艇船體模型辨識系統(tǒng)和制導(dǎo)系統(tǒng)；所述無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)通過360度光學(xué)相機，ka波段雷達和海事雷達對外界位置信息進行探測，360度光學(xué)相機對近距離的目標位置信息進行探測，海事雷達和ka波段雷達對遠距離的目標位置信息進行探測。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用無人艇航行串級控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制方法，包括以下步驟：

1)所述多普勒海流傳感器，風(fēng)速傳感器，海事雷達，ka波段雷達，360度光學(xué)相機分別獲得海流狀態(tài)數(shù)據(jù)，海風(fēng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，遠距離目標狀態(tài)數(shù)據(jù)，中距離目標狀態(tài)數(shù)據(jù)和近距離目標狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將所獲得的信息傳輸給所述制導(dǎo)系統(tǒng)和無人艇船體模型辨識系統(tǒng)；

2)所述制導(dǎo)系統(tǒng)接受信息結(jié)合初始指令對路徑進行規(guī)劃，得到期望航跡數(shù)據(jù)，期望航跡數(shù)據(jù)與無人艇軌跡反饋系統(tǒng)傳輸?shù)膶嶋H航跡作差得到誤差航跡數(shù)據(jù)，并將誤差航跡傳輸給所述主控制器；

3)所述主控制器根據(jù)誤差航跡數(shù)據(jù)產(chǎn)生主姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，主姿態(tài)控制數(shù)據(jù)與副反饋回路傳輸?shù)膶嶋H姿態(tài)作差得到姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)，姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)傳輸給所述副控制器；

4)所述副控制器根據(jù)姿態(tài)誤差數(shù)據(jù)產(chǎn)生副姿態(tài)控制數(shù)據(jù)，副姿態(tài)控制數(shù)據(jù)作用于無人艇船體模型辨識系統(tǒng)；

5)所述無人艇船體模型辨識系統(tǒng)通過接受副姿態(tài)控制數(shù)據(jù)和無人艇環(huán)境感知系統(tǒng)傳輸?shù)暮Ｑ蟾蓴_數(shù)據(jù)和無人艇位置數(shù)據(jù)產(chǎn)生驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸給所述動力驅(qū)動系統(tǒng)，同時調(diào)整無人艇的航行姿態(tài)；

6)所述動力驅(qū)動系統(tǒng)接受驅(qū)動數(shù)據(jù)產(chǎn)生驅(qū)動力，使無人艇在海上干擾的作用下，保證無人艇能夠按照期望軌跡高精度的航行。