CN106741782A - 一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于风能驱动的无人船，包括船体，船体的尾部设有舵，船体内设有航行控制系统，还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置；太阳能供电系统包括太阳能电池板和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置和航行控制系统连接；航行控制系统包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。本发明利用帆船这一古老的水上交通工具，利用风能作为驱动力，实现污染物零排放，并能保证长时间续航，通过调节风帆的位置和角度，即使在逆风情况下也能顺利航行。

Description

一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法

技术领域

本发明属于海事安全领域，具体涉及一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法。

背景技术

利用船舶上所携带的各种设备，可完成对岛礁、河流、航道、水库、港湾区域测量和监测，海事部门或相关机构可利用获得的测量数据用于地形地貌绘制、流速流量计算、遇险船舶或人员搜救等。然而，现今的上述任务都是由人工完成。远距离遥控船舶在进行作业时，操控人员可能会因为视线或操控距离等因素的影响，产生判断失误，导致风险的发生。

随着智能控制技术的发展，海事部门及相关机构对能自主航行的无人船的关注度也越来越高。现有无人船动力系统一般为电力驱动或者使用小型汽油发动机，航程短、续航时间有限是其普遍存在的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法，能够保证长时间续航而无需燃料补给。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于风能驱动的无人船，包括船体，船体的尾部设有舵，船体内设有航行控制系统，其特征在于：所述的船体上设有桅杆，桅杆上设有主帆和前帆；本无人船还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置；其中，

所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置和航行控制系统连接；

所述的环境感知设备包括激光雷达、雷达、红外摄像头、风向风速传感器，其中激光雷达设置在船体艏部的自稳云台上，雷达和红外摄像头设置在桅杆顶部，风向风速传感器设置在桅杆上；

所述的航行控制系统包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。

按上述方案，所述的太阳能电池板设置在主帆、前帆和/或船体的甲板上。

一种上述基于风能驱动的无人船的航行控制方法，其特征在于：它包括：

根据输入的任务重点位置和定位装置获取的船体当前所在位置，规划船体的航行路径；

根据规划的航行路径，结合船体实时的航向和航速、风向，根据伯努利效应，计算得出船体按照航行路径航行时主帆、前帆分别与风向之间的角度，同时实时获取风向与船体的航行路径的角度偏差值，通过PID控制器实时调整主帆、前帆与风向之间的角度以及舵角；

当有碍航物出现时，利用人工势场理论，计算碍航物的斥力场分布范围，并与所规划的航行路径相比较，若碍航物斥力场分布范围波及到航行路径，则利用A^*算法计算一条避开碍航物的最短路径，避开碍航物之后，重新回到原航行路径上继续航行。

本发明的有益效果为：本发明利用帆船这一古老的水上交通工具，利用风能作为驱动力，只需要采集一些太阳能以供航行控制系统的运行即可，实现污染物零排放，并且能够保证长时间续航而无需燃料补给，通过调节风帆的位置和角度，即使在逆风情况下也能顺利航行。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的控制原理图。

图3为碍航物斥力场分布示意图。

图4为A^*算法路径规划示意图。

图5为PID控制流程示意图。

图中：1-船体，2-舵，3-航行控制系统，4-桅杆，5-主帆，6-前帆，7-太阳能电池板，8-雷达和红外摄像头，9-风向风速传感器，10-激光雷达，11-定位装置。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于风能驱动的无人船，如图1所示，包括船体1，船体1的尾部设有舵2，船体1内设有航行控制系统3，船体1上设有桅杆4，桅杆4上设有主帆5和前帆6；本无人船还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置11；其中，所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板7和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置11和航行控制系统3连接；所述的环境感知设备包括激光雷达10、雷达和红外摄像头8、风向风速传感器9，其中激光雷达10设置在船体1艏部的自稳云台上，雷达和红外摄像头8设置在桅杆4顶部，风向风速传感器9设置在桅杆4上；航行控制系统3包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。

所述的太阳能电池板7设置在主帆5、前帆6和/或船体1的甲板上。本实施例中，定位装置11为GPS装置，安装于船体1的甲板上合适位置。雷达的探测量程根据实际情况设置，一般设置为10-12海里；红外摄像头白天在常规模式下工作，夜间切换至热成像模式工作。本实施例使用了三轴自稳云台，能保证在无人船自主航行时，船体起伏摇摆的情况下，激光雷达发射的信号不会随着船体起伏摇摆，能始终保持激光雷达信号水平指向无人船航向的正前方。

一种上述基于风能驱动的无人船的航行控制方法，如图2所示，包括：

根据输入的任务重点位置和定位装置获取的船体当前所在位置，规划船体的航行路径；

根据规划的航行路径，结合船体实时的航向和航速、风向，根据伯努利效应，计算得出船体按照航行路径航行时主帆、前帆分别与风向之间的角度，同时实时获取风向与船体的航行路径的角度偏差值，通过PID控制器实时调整主帆、前帆与风向之间的角度以及舵角；

当有碍航物出现时，利用人工势场理论，计算碍航物的斥力场分布范围，并与所规划的航行路径相比较，若碍航物斥力场分布范围波及到航行路径，则利用A^*算法计算一条避开碍航物的最短路径，避开碍航物之后，重新回到原航行路径上继续航行。

图3为碍航物斥力场分布示意图，当感知系统探测到无人帆船自主航行航线上出现碍航物时，利用人工势场理论，计算碍航物斥力场分布范围。中间凸起表示高碰撞风险区域，平坦部分表示低碰撞风险区域。斥力场分布区域由碍航物实际外形尺寸确定，且不能过大或过小。

图4为A^*算法路径规划示意图，以无人船当前位置为起点，经过碰撞风险区域后已规划路径上任意一点为终点，寻找起点周围可以到达的方格，从起点开始，每移动一格，原先占据的方格不再作为下一到达方格的备选项，碰撞风险区域所占据方格也不作为移动到达方格备选项，直至到达设定终点结束。新路径总的损耗由起点到指定方格的移动损耗和从指定方格到终点的预计损耗共同决定，其原则为总损耗最小。

图5为PID控制流程示意图，首先得出无人帆船能按照规划路径航行时帆与风向应保持的角度，同时实时获取风向与无人帆船自主规划路径的角度偏差值，对主帆及前帆进行角度调节，同时根据需要对船舵偏角进行调节，并实时进行反馈修正。

在具体控制时，主帆5、前帆6、主帆索、前帆索、前支索、帆下拉索、舵2等均由电机控制，电机由PID控制器控制。在主帆5、前帆6、舵2上设置角度传感器，用于实时感知它们的位置变化，便于航行控制系统3的控制。

帆船作为一种古老的水上交通运输工具，利用自然界中能循环再生的风能作为驱动力，相比较于使用常规动力驱动的船舶，帆船能保证污染物零排放，且能保证长时间续航而无需燃料补给。通过调节风帆的位置和角度，即使在逆风情况下也能顺利航行。

无人船在作业时，利用船载GPS装置及电子海图确定自身当前所在位置，不断比较当前坐标与任务设置终点坐标，利用架设在无人船上的风向及风速传感器，感知无人帆船航行时风的实时变化情况，根据船载处理器规划的航行路径，结合无人帆船自身的航向和航速，通过自动控制器实时调整主帆、前帆与风向的角度以及舵角，用以保证无人帆船能按照规划路径航行并到达终点。

无人船船载电子设备，可通过太阳能电池提供。太阳能电池可铺设在无人帆船甲板、主帆、前帆等位置。在气象条件允许的情况下，为船载电子设备提供所需电量，并做相应的电量储备。在夜间无风且储备电量不足以维持所有船载电子设备工作的情况下，可将无人帆船切换至休眠状态，仅保证GPS设备向岸基控制中心报告当前所在坐标，直至太阳能电池板重新工作或气象条件能保证无人帆船继续稳定航行。

综上，本无人船去除了所有常规驱动系统，使用风能作为航行时的驱动力，既能做到污染物零排放，且能自行补充维持正常工作所需的能源，并根据任务要求自主规划路径。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于风能驱动的无人船，包括船体，船体的尾部设有舵，船体内设有航行控制系统，其特征在于：所述的船体上设有桅杆，桅杆上设有主帆和前帆；本无人船还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置；其中，

所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置和航行控制系统连接；

所述的环境感知设备包括激光雷达、雷达、红外摄像头、风向风速传感器，其中激光雷达设置在船体艏部的自稳云台上，雷达和红外摄像头设置在桅杆顶部，风向风速传感器设置在桅杆上；

所述的航行控制系统包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。

2.根据权利要求1所述的基于风能驱动的无人船，其特征在于：所述的太阳能电池板设置在主帆、前帆和/或船体的甲板上。

3.一种权利要求1所述的基于风能驱动的无人船的航行控制方法，其特征在于：它包括：

根据输入的任务重点位置和定位装置获取的船体当前所在位置，规划船体的航行路径；

根据规划的航行路径，结合船体实时的航向和航速、风向，根据伯努利效应，计算得出船体按照航行路径航行时主帆、前帆分别与风向之间的角度，同时实时获取风向与船体的航行路径的角度偏差值，通过PID控制器实时调整主帆、前帆与风向之间的角度以及舵角；

当有碍航物出现时，利用人工势场理论，计算碍航物的斥力场分布范围，并与所规划的航行路径相比较，若碍航物斥力场分布范围波及到航行路径，则利用A^*算法计算一条避开碍航物的最短路径，避开碍航物之后，重新回到原航行路径上继续航行。