CN106774341A - 无人船运动控制系统及运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人船运动控制系统及控制方法，在该控制系统中，控制模块包括中央控制器、航向控制器、舵角控制器、倒车控制器、航速控制器和油门控制器，信息采集模块包括舵角传感器、航速传感器、航向传感器、微型陀螺仪、雷达探测器和舵角补偿器，动力模块包括发动机、舵泵装置、喷水推进器和倒车泵，该控制系统能实现轨迹跟踪、转弯防侧翻、避障和倒车功能，克服了“舵角零点漂移”问题。该控制方法中通过航向角误差驱动航向控制器不断调整舵泵装置的舵角，实现整个航行过程的运行控制，同时引入航速控制环辅助长距离目标跟踪，引入舵角补偿环克服洋流中舵角零点漂移，微型陀螺仪监测船体倾斜度以配合控制模块和动力模块实现安全转弯。
Description
技术领域
本发明属于无人船领域，具体涉及一种无人船运动控制系统及运动控制方法。
背景技术
无人船自主作业最先需要解决动力控制，保证船体能正确运动；高级的无人船则需要实现轨迹跟踪，使无人船能准时准点巡逻到指定位置；而无人船在航行中如何保证自身安全，防止船体高速运行时控制不当导致侧翻，尤其船体上安装的主控设备、仪器、电源等侵入水中会遭受不可逆的损坏，一旦侧翻，整船只能等待救援捞回，这些给用户带来极大风险。所以实现轨迹跟踪、转弯防侧翻、避开水草和退出水湾等，成为考核无人船安全稳定航向的重要指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人船运动控制系统及运动控制方法，该控制系统能实现轨迹跟踪、转弯防侧翻、避障和倒车功能，克服了“舵角零点漂移”问题，该控制方法实现了整个航行过程的运行控制，克服了舵角零点漂移，实现了安全转弯。
本发明所采用的技术方案是：
一种无人船运动控制系统，包括控制模块、动力模块、信息采集模块和通信模块；控制模块包括中央控制器、航向控制器、舵角控制器、倒车控制器、航速控制器和油门控制器，中央控制器分别与航向控制器、倒车控制器和航速控制器连接，航向控制器与舵角控制器连接，航速控制器与油门控制器连接；信息采集模块包括用于采集无人船航行数据的舵角传感器、航速传感器、航向传感器和微型陀螺仪以及用于探测障碍物的雷达探测器以及舵角补偿器，雷达探测器与中央控制器连接，航速传感器与航速控制器连接，微型陀螺仪、航向控制器、航速传感器和舵角补偿器的输出端分别与航向控制器连接，航向传感器、航速传感器和舵角传感器分别与航角补偿器的输入端连接，航角传感器与航角控制器连接；动力模块包括发动机、舵泵装置、喷水推进器和倒车泵，倒车泵、发动机和舵泵装置分别与喷水推进器连接，舵角控制器与舵泵装置连接，倒车控制器与倒车泵连接，油门控制器与发动机连接。
进一步地，喷水推进器采用双喷泵结构，并安装于无人船尾部两侧，舵泵装置由液压舵泵和液压舵机组成，液压舵机能够驱动液压舵泵控制喷水推进器水平方向喷水分量，倒车泵能够驱动喷水推进器的翻盖旋转而控制垂直方向喷水分量。
进一步地，通信模块包括数字电台、GPS通讯系统和图传电台。
进一步地，中央控制器为可编程控制器。
一种无人船运动控制方法，包括如下步骤：
S1.根据中央控制器给定的目标航向值和航向传感器监测的实测航向值获得航向偏差，并发送给航向控制器；
S2.把航速传感器监测的实时航速值、航向传感器监测的实测航向值和舵角传感器监测的舵角值上送给舵角补偿器，并由舵角补偿器计算出舵角补偿值；
S3.根据微型陀螺仪监测的无人船倾斜度及倾斜趋势，并配合实时航速值，获得允许的最大舵角值；
S4.航向控制器根据航向偏差、舵角补偿值和允许的最大舵角值给定目标舵角值；
S5.根据舵角传感器监测的舵角值和目标舵角值给定舵角偏差，并由舵角控制器控制舵泵装置实现无人船舵角调整；
S6.根据中央控制器给定的目标航速值和航速传感器监测的实时航速值获得航速偏差，并发送给航速控制器；
S7.航速控制器根据航速偏差给定油门控制量，并发送给油门控制器，进而驱动发动机工作改变喷水推进器的喷水量，控制无人船的船速。
进一步地，在给定的目标航向值时，中央控制器采用全局路径规划和局部路径规划，雷达探测器探测到障碍物时，中央控制器采用避碰规划。
本发明的有益效果是：
在该控制系统中，模块既能控制航向又能控制航速，只需已知当前舵角、航速和航向，不需监测喷水推进器位置偏差以及环境干扰力的方向和大小，通过舵角补偿自适应转舵控制即可实现迅速、平稳保持期望航向，保证了无人船能准时准点巡逻到指定位置，实现了轨迹跟踪功能；通过陀螺仪监测船体倾斜度，配合控制模块和动力模块，保证船体安全转弯，实现了防止侧翻功能；雷达探测器与控制模块配合实现了避开障碍功能；倒车泵与倒车控制器配合实现了倒车(退出水湾)功能；航速控制器、油门控制器与发动机配合实现了即停功能；在航向过程中通过舵角补偿不断修正舵角克服了“舵角零点漂移”的问题。在该控制方法中，通过航向角误差驱动航向控制器不断调整舵泵装置的舵角，实现整个航行过程的运行控制，引入航速控制环辅助长距离目标跟踪，引入舵角补偿环克服洋流中舵角零点漂移，微型陀螺仪监测船体倾斜度以配合控制模块和动力模块实现安全转弯。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图中：1.中央控制器；2.航向控制器；3.舵角控制器；4.倒车控制器；5.航速控制器；6.油门控制器；7.发动机；8.舵泵装置；9.喷水推进器；10.倒车泵；11.雷达探测器；12.舵角传感器；13.航速传感器；14.航向传感器；15.微型陀螺仪；16.液压舵泵；17.液压舵机；18.舵角补偿器；19.通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对作本发明进一步说明。
如图1所示，一种无人船运动控制系统，包括控制模块、动力模块、信息采集模块和通信模块19；控制模块包括中央控制器1、航向控制器2、舵角控制器3、倒车控制器4、航速控制器5和油门控制器6，中央控制器1分别与航向控制器2、倒车控制器4和航速控制器5连接，航向控制器2与舵角控制器3连接，航速控制器5与油门控制器6连接；信息采集模块包括用于采集无人船航行数据的舵角传感器12、航速传感器13、航向传感器14和微型陀螺仪15以及用于探测障碍物的雷达探测器11以及舵角补偿器18，雷达探测器11与中央控制器1连接，航速传感器13与航速控制器5连接，微型陀螺仪15、航向控制器2、航速传感器13和舵角补偿器18的输出端分别与航向控制器2连接，航向传感器14、航速传感器13和舵角传感器12分别与航角补偿器的输入端连接，航角传感器与航角控制器连接；动力模块包括发动机7、舵泵装置8、喷水推进器9和倒车泵10，倒车泵10、发动机7和舵泵装置8分别与喷水推进器9连接，舵角控制器3与舵泵装置8连接，倒车控制器4与倒车泵10连接，油门控制器6与发动机7连接。
控制模块既能控制航向又能控制航速，只需已知当前舵角、航速和航向，不需监测喷水推进器9位置偏差以及环境干扰力的方向和大小，通过舵角补偿自适应转舵控制即可实现迅速、平稳保持期望航向，保证了无人船能准时准点巡逻到指定位置，实现了轨迹跟踪功能；通过陀螺仪监测船体倾斜度，配合控制模块和动力模块，保证船体安全转弯，实现了防止侧翻功能；雷达探测器11与控制模块配合实现了避开障碍功能；倒车泵10与倒车控制器4配合实现了倒车(退出水湾)功能；航速控制器5、油门控制器6与发动机7配合实现了即停功能；在航向过程中通过舵角补偿不断修正舵角克服了“舵角零点漂移”的问题。
在本实施例中，喷水推进器9采用双喷泵结构，并安装于无人船尾部两侧，舵泵装置8由液压舵泵16和液压舵机17组成，液压舵机17能够驱动液压舵泵16控制喷水推进器9水平方向喷水分量(实现无人船转弯)，倒车泵10能够驱动喷水推进器9的翻盖旋转而控制垂直方向喷水分量(实现无人船倒车和急停)。
在本实施例中，通信模块19包括数字电台、GPS通讯系统和图传电台(用于将无人船上的监测数据回传监控中心，并接收监控中心指令数据)。
在本实施例中，中央控制器1为可编程控制器。
一种无人船运动控制方法，包括如下步骤：
S1.根据中央控制器1给定的目标航向值和航向传感器14监测的实测航向值获得航向偏差，并发送给航向控制器2；
S2.把航速传感器13监测的实时航速值、航向传感器14监测的实测航向值和舵角传感器12监测的舵角值上送给舵角补偿器18，并由舵角补偿器18计算出舵角补偿值；
S3.根据微型陀螺仪15监测的无人船倾斜度及倾斜趋势，并配合实时航速值，获得允许的最大舵角值；
S4.航向控制器2根据航向偏差、舵角补偿值和允许的最大舵角值给定目标舵角值；
S5.根据舵角传感器12监测的舵角值和目标舵角值给定舵角偏差，并由舵角控制器3控制舵泵装置8实现无人船舵角调整；
S6.根据中央控制器1给定的目标航速值和航速传感器13监测的实时航速值获得航速偏差，并发送给航速控制器5；
S7.航速控制器5根据航速偏差给定油门控制量，并发送给油门控制器6，进而驱动发动机7工作改变喷水推进器9的喷水量，控制无人船的船速。
在本方法中，通过航向角误差驱动航向控制器2不断调整舵泵装置8的舵角，实现整个航行过程的运行控制，引入航速控制环辅助长距离目标跟踪，引入舵角补偿环克服洋流中舵角零点漂移，微型陀螺仪15监测船体倾斜度以配合控制模块和动力模块实现安全转弯。
在本实施例中，在给定的目标航向值时，中央控制器1采用全局路径规划和局部路径规划，雷达探测器11探测到障碍物时，中央控制器1采用避碰规划。中央控制器1能响应全局路径规划、局部路径规划和避障规划需求，便于顺利实现轨迹跟踪。
以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效系统，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种无人船运动控制系统，其特征在于：包括控制模块、动力模块、信息采集模块和通信模块；
控制模块包括中央控制器、航向控制器、舵角控制器、倒车控制器、航速控制器和油门控制器，中央控制器分别与航向控制器、倒车控制器和航速控制器连接，航向控制器与舵角控制器连接，航速控制器与油门控制器连接；
信息采集模块包括用于采集无人船航行数据的舵角传感器、航速传感器、航向传感器和微型陀螺仪以及用于探测障碍物的雷达探测器以及舵角补偿器，雷达探测器与中央控制器连接，航速传感器与航速控制器连接，微型陀螺仪、航向控制器、航速传感器和舵角补偿器的输出端分别与航向控制器连接，航向传感器、航速传感器和舵角传感器分别与航角补偿器的输入端连接，航角传感器与航角控制器连接；
动力模块包括发动机、舵泵装置、喷水推进器和倒车泵，倒车泵、发动机和舵泵装置分别与喷水推进器连接，舵角控制器与舵泵装置连接，倒车控制器与倒车泵连接，油门控制器与发动机连接。
2.如权利要求1所述的无人船运动控制系统，其特征在于：喷水推进器采用双喷泵结构并且安装于无人船尾部两侧，舵泵装置由液压舵泵和液压舵机组成，液压舵机能够驱动液压舵泵控制喷水推进器水平方向喷水分量，倒车泵能够通过驱动喷水推进器上的翻盖旋转控制垂直方向喷水分量。
3.如权利要求1所述的无人船运动控制系统，其特征在于：通信模块包括数字电台、GPS通讯系统和图传电台。
4.如权利要求1所述的无人船运动控制系统，其特征在于：中央控制器为可编程控制器。
5.一种无人船运动控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1.根据中央控制器给定的目标航向值和航向传感器监测的实测航向值获得航向偏差，并发送给航向控制器；
S2.把航速传感器监测的实时航速值、航向传感器监测的实测航向值和舵角传感器监测的舵角值上送给舵角补偿器，并由舵角补偿器计算出舵角补偿值；
S3.根据微型陀螺仪监测的无人船倾斜度及倾斜趋势，并配合实时航速值，获得允许的最大舵角值；
S4.航向控制器根据航向偏差、舵角补偿值和允许的最大舵角值给定目标舵角值；
S5.根据舵角传感器监测的舵角值和目标舵角值给定舵角偏差，并由舵角控制器控制舵泵装置实现无人船舵角调整；
S6.根据中央控制器给定的目标航速值和航速传感器监测的实时航速值获得航速偏差，并发送给航速控制器；
S7.航速控制器根据航速偏差给定油门控制量，并发送给油门控制器，进而驱动发动机工作改变喷水推进器的喷水量，控制无人船的船速。
6.如权利要求5所述的一种无人船运动控制方法，其特征在于：在给定目标航向值时，中央控制器采用全局路径规划和局部路径规划，雷达探测器探测到障碍物时，中央控制器采用避碰规划。
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