[發明專利]一種無人艇航行串級控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202010097992.X
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111208824B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 王曰英;董佳煜;彭艷;羅均;謝少榮;蒲華燕
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海新隆知識產權代理事務所(普通合伙) 31366
• 代理人: 金利琴

本發明公開一種無人艇航行串級控制系統及其控制方法，該控制系統包括制導系統，串級控制系統和無人艇環境感知系統；無人艇環境感知系統感知航行信息并將該信息傳輸給制導系統和串級控制系統，無人艇環境感知系統包括導航傳感器模塊，距離感知模塊和干擾感知模塊；制導系統包括任務導航模塊，反應式避障模塊，海事規則避障模塊和路徑規劃模塊；串級控制系統包括主反饋回路和副反饋回路；制導系統與主反饋回路中的主控制器和無人艇軌跡反饋系統連接；副反饋回路在主反饋回路的內部，其中主控制器與副控制器和無人艇姿態反饋系統連接，副控制器與無人艇船體模型辨識系統連接。本發明可抑制外部環境的干擾，使無人挺高性能的航行。

技術領域

本發明屬于無人艇技術領域，具體涉及一種無人艇航行串級控制系統及其控制方法。該控制系統對于航行中強干擾有很強的抑制作用，能夠實現無人艇高性能高精度跟蹤期望軌跡的航行控制。

背景技術

無人艇是一種無需人員駕駛和操作，可以自主或者半自主航行和作業的艇，主要用于執行危險以及不適合有人船只執行的任務。現如今已經廣泛地應用于軍事和民用領域；在軍事領域，無人艇通過搭載高精度的裝備和軍用火炮能夠實現無人偵察和船只護航的任務；在民用領域主要用于海圖探測，水樣收集，應急救援等。

在海洋中執行任務的無人艇，由于受到風浪等外部環境的干擾，會產生橫蕩，縱蕩和艏搖。上述干擾的存在對于無人艇高性能航行有很大的負面影響。外界的干擾不僅會降低無人艇上搭載的設備的工作效率同時還會對于無人艇的航跡產生影響，使之不能高精度的跟蹤期望軌跡。因此為保證無人艇的高性能航行，需要對外界干擾作出抑制。

發明內容

本發明針對目前無人艇所面臨的不可預測的外界強干擾問題，旨在提供一種無人艇航行串級控制系統及其控制方法。

為實現發明目的，本發明采用的技術方案如下：

一種無人艇航行串級控制系統，包括制導系統，串級控制系統和無人艇環境感知系統；所述無人艇環境感知系統感知航行信息并將該信息傳輸給所述制導系統和串級控制系統，所述無人艇環境感知系統包括導航傳感器模塊，距離感知模塊和干擾感知模塊；所述制導系統包括任務導航模塊，反應式避障模塊，海事規則避障模塊和路徑規劃模塊；所述串級控制系統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，無人艇姿態反饋系統和副控制器，所述副控制器采用增量式PD控制器，主反饋回路包括主控制器，動力驅動系統，無人艇軌跡反饋系統，所述主控制器采用增量式PID控制器；

所述制導系統與主反饋回路中的主控制器和無人艇軌跡反饋系統連接；所述副反饋回路在主反饋回路的內部，其中所述主控制器與副控制器和無人艇姿態反饋系統連接，所述副控制器與無人艇船體模型辨識系統連接；所述無人艇環境感知系統與無人艇船體模型辨識系統和制導系統連接；所述制導系統通過無人艇環境感知系統提供的實時數據對無人艇的航跡進行規劃，并且將規劃航跡傳輸給所述主反饋回路。所述副反饋回路用于在復雜海況下抵制外界的強干擾；所述主反饋回路用來保證無人艇能夠高精度的跟蹤制導系統給出的期望軌跡。

根據上述無人艇串級控制系統，優選的，所述制導系統包括路徑規劃模塊，任務導航模塊，反應式避障模塊，海事規則避障模塊；所述路徑規劃模塊與任務導航模塊，反應式避障模塊，海事規則避障模塊連接。所述任務導航模塊是根據具體任務要求對航跡進行規劃的模塊，并將任務要求傳輸給路徑規劃模塊。所述反應式避障模塊主要通過雷達獲取障礙物的位置和速度等特征信息，并且將這些信息傳輸給路徑規劃模塊。所述海事規則避障模塊使無人艇遵守海事規則。所述路徑規劃模塊接受任務導航模塊，反應式避障模塊和海事規則避障模塊傳輸的數據，并結合視線法對已經生成的航跡進行實時的更新，并將更新都的航跡傳輸給主反饋回路。視線法（Line of sight）其原理是船的航向始終瞄著目標點，以此修正風流海流引起的偏差。