CN109144075A - 一种无人船的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了无人船的控制系统和控制方法，由于该系统中的主控部件连接有信号切换部件，信号切换部件用于根据接收的遥控器的第一选通信号和主控部件的来源于上位机的第二选通信号切换航行模式，第一选通信号的优先级高于第二选通信号，当第一选通信号为高电平时，信号切换部件响应第一选通信号的同时屏蔽第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当第一选通信号为低电平时，信号切换部件响应第二选通信号并当第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式，因此能够通过遥控操控按钮强制中断自主航行，将自主航行模式转换为远程遥控模式，提高无人船运行的安全性。

Description

一种无人船的控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于船舶控制技术领域，特别是涉及一种无人船的控制系统和控制方法。

背景技术

无人水面船是一种具备自主航行或远程遥控功能以实现正常航行、操纵及作业的水面航行器，可通过搭载各种任务载荷执行指定任务，由于其具有操作安全、高效节能、成本低等优点，被广泛应用于水域自动化作业领域。无人水面船的运行模式主要有两种，一种为自主航行模式，另一种为远程遥控模式。其中，自主航行模式是指按照目标任务，在完全没有人工干预的情况下进行安全航行的一种航行模式，远程遥控模式是指在岸基上采用驾驶仪(遥控器)对平台装置和各种设备及系统进行远程操控的一种航行模式。现有技术中，有一种双控自主无人船，具有船载自主航行控制和遥控器遥控两种控制模式，并能在上位机平台上实现无人船控制模式的切换，可实现双控自主无人船在自主控制系统故障或失电时通过遥控器遥控方式返回，以提高无人船自主航行的可靠性，现有技术中还有一种无人船自主航行与遥控航行的切换控制模块，包括组合模拟数据选择器和STM32最小系统，该方案把两片八选一模拟选择器采用级联的方式进行组合，形成了四选二模拟选择器以适应现代双体船对信号的选择要求，通过STM32最小系统对接收机的PWM信号进行捕获，进而转化为无人船的自主与遥控两种控制模式的切换。

然而，现有技术中的无人船都不能在上位机和手动遥控器两端同时具备切换运行模式的功能，当出现故障时，都需要由上位机给出指令才可以切入手动遥控，而一旦上位机崩溃，便会出现失控情况。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种无人船的控制系统和控制方法，能够通过遥控操控按钮强制中断自主航行，将自主航行模式转换为远程遥控模式，提高无人船运行的安全性。

本发明提供的一种无人船的控制系统，包括主控部件，所述主控部件连接有定位部件、航姿测量部件、无线数据传输部件、执行器测量部件和信号切换部件，所述无线数据传输部件无线连接至上位机，所述信号切换部件利用无线通信方式连接至遥控器且连接至电机驱动部件，所述电机驱动部件的另一端连接至所述执行器测量部件，所述信号切换部件用于根据接收的所述遥控器的第一选通信号和所述主控部件的来源于所述上位机的第二选通信号来切换航行模式，所述第一选通信号的优先级高于所述第二选通信号，当所述第一选通信号为高电平时，所述信号切换部件响应所述第一选通信号的同时屏蔽所述第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当所述第一选通信号为低电平时，所述信号切换部件响应所述第二选通信号并当所述第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当所述第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

优选的，在上述无人船的控制系统中，所述电机驱动部件为推进电机驱动器且所述执行器测量部件为测速编码器，和/或，所述电机驱动部件为舵机驱动器且所述执行器测量部件为舵角反馈电位器。

优选的，在上述无人船的控制系统中，所述无线数据传输部件为具有天线的无线数据传输电台。

优选的，在上述无人船的控制系统中，所述定位部件为具有GPS天线的GPS接收机。

优选的，在上述无人船的控制系统中，所述信号切换部件利用具有天线的遥控接收机与所述遥控器连接。

优选的，在上述无人船的控制系统中，所述航姿测量部件为IMU航姿测量部件。

本发明提供的一种无人船的控制方法，包括：

利用如上任一种无人船的控制系统，接收所述遥控器的第一选通信号和所述主控部件传来的来源于所述上位机的第二选通信号来切换航行模式，所述第一选通信号的优先级高于所述第二选通信号；

当所述第一选通信号为高电平时，所述信号切换部件响应所述第一选通信号的同时屏蔽所述第二选通信号，将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式；

当所述第一选通信号为低电平时，所述信号切换部件响应所述第二选通信号并当所述第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当所述第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

优选的，在上述无人船的控制方法中，还包括：

当所述第一选通信号从高电平切换至低电平时，依次执行电机转速控制环、舵机转角控制环、航向保持控制环的无扰动切换控制之后，将所述无人船由遥控器远程遥控航行模式切换至上位机远程遥控航行模式。

通过上述描述可知，本发明提供的无人船的控制系统，由于主控部件连接有信号切换部件，所述信号切换部件用于根据接收的所述遥控器的第一选通信号和所述主控部件的来源于所述上位机的第二选通信号来切换航行模式，所述第一选通信号的优先级高于所述第二选通信号，当所述第一选通信号为高电平时，所述信号切换部件响应所述第一选通信号的同时屏蔽所述第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当所述第一选通信号为低电平时，所述信号切换部件响应所述第二选通信号并当所述第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当所述第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式，因此能够通过遥控操控按钮强制中断自主航行，将自主航行模式转换为远程遥控模式，提高无人船运行的安全性。本发明提供的控制方法，由于利用如上所述的控制系统，因此这种方法也提高了无人船运行的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种无人船的控制系统的实施例的示意图；

图2为本申请提供的无人船的控制系统的原理示意图；

图3为本申请提供的一种无人船的控制方法的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种无人船的控制系统和控制方法，能够通过遥控操控按钮强制中断自主航行，将自主航行模式转换为远程遥控模式，提高无人船运行的安全性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供的一种无人船的控制系统的实施例如图1所示，图1为本申请提供的一种无人船的控制系统的实施例的示意图，该无人船的控制系统包括主控部件1，主控部件1连接有定位部件2、航姿测量部件3、无线数据传输部件4、执行器测量部件5和信号切换部件6，可以但不限于用UART总线或CAN总线连接，无线数据传输部件4无线连接至上位机7，信号切换部件6利用无线通信方式连接至遥控器8且连接至电机驱动部件9，电机驱动部件9的另一端连接至执行器测量部件5，信号切换部件6用于根据接收的遥控器8的第一选通信号和主控部件1的来源于上位机7的第二选通信号来切换航行模式，第一选通信号的优先级高于第二选通信号，当第一选通信号为高电平时，信号切换部件6响应第一选通信号的同时屏蔽第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当第一选通信号为低电平时，信号切换部件6响应第二选通信号并当第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

其中，电机驱动部件9可根据船型配置为推进电机驱动器或舵机驱动器，执行器测量部件5可根据电机驱动部件的类型相应的配置为测速编码器或者舵角反馈电位器，而且电机驱动部件和执行器测量部件可根据船型配置成单机单舵、双机单舵、双机双舵、多机多舵、双机等机桨舵推进器组合。在一个优选实施例中，信号切换部件6可以利用具有天线的遥控接收机10与遥控器8连接，这种遥控接收机与遥控器之间可以进行无线通信。

参考图2，图2为本申请提供的无人船的控制系统的原理示意图，信号切换部件接收主控部件的选通信号1和PWM波形1以及遥控接收机的选通信号2和PWM波形2，输出运行模式信号C和控制信号PWM波形3，这些PWM波形为频率一定且占空比可变的脉宽调制方波信号，信号切换部件根据选通信号1和选通信号2的电平状态进行无人船运行模式的切换，其中，选通信号1、选通信号2和运行模式信号C均为电平信号，信号电平状态为0或1，0表示自主航行模式，1表示远程遥控模式。选通信号1、选通信号2在任何时候都只有其中一路信号被信号切换部件执行，且选通信号2具有更高的优先级，当选通信号2电平状态为1时，信号切换部件响应来自遥控接收机的选通信号2，且屏蔽选通信号1，无人船运行模式切换为遥控器远程遥控模式；当选通信号2电平状态为0时，信号切换部件响应来自主控部件的选通信号1，根据选通信号1的电平状态将无人船运行模式切换为自主航行模式或远程遥控模式。上述PWM波形1、PWM波形2、控制信号PWM波形3为分别用于间接或直接控制各电机驱动部件的一组或多组PWM波形。主控部件能够实时监测信号切换部件输出的当前运行模式信号C和控制信号PWM波形3，当运行模式信号C电平状态为1时，信号切换部件输出的控制信号PWM波形3参数与遥控接收机输出的控制信号PWM波形2一致，主控部件输出的PWM波形1能够跟踪PWM波形3，此时无人船运行模式为遥控器远程遥控模式；当运行模式信号C电平状态由1转变为0时，主控部件可以根据无扰动切换控制算法输出PWM波形1，控制信号PWM波形3与PWM波形1一致；当运行模式信号C电平状态保持为0时，主控部件接收无线数传电台的导航指令，根据自主航行控制算法输出PWM波形1，控制信号PWM波形3与PWM波形1一致，无人船的运行状态由主控部件的选通信号1(由上位机控制)来决定，当选通信号1为0时则为上位机自主航行模式，当选通信号1为1时则为上位机远程遥控模式。

通过上述描述可知，本申请提供的上述无人船的控制系统，由于主控部件连接有信号切换部件，信号切换部件用于根据接收的遥控器的第一选通信号和主控部件的来源于上位机的第二选通信号来切换航行模式，第一选通信号的优先级高于第二选通信号，当第一选通信号为高电平时，信号切换部件响应第一选通信号的同时屏蔽第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当第一选通信号为低电平时，信号切换部件响应第二选通信号并当第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式，因此能够通过遥控操控按钮强制中断自主航行，将自主航行模式转换为远程遥控模式，提高无人船运行的安全性。本发明提供的控制方法，由于利用如上的控制系统，因此这种方法也提高了无人船运行的安全性。

本申请还提供了一个优选实施例，可以在上述实施例基础上，优选上述电机驱动部件为推进电机驱动器且执行器测量部件为测速编码器，和/或，电机驱动部件为舵机驱动器且执行器测量部件为舵角反馈电位器。需要说明的是，还可以同时设置两组同样的电机驱动部件和执行器测量部件，例如设置两推进电机驱动器和测速编码器，这都是可以根据实际情况来设定的。

同时，无线数据传输部件可以为具有天线的无线数据传输电台，用于与岸基上位机进行无线数字通信，上述定位部件可以为具有GPS天线的GPS接收机，用于接收卫星定位信息，航姿测量部件可以为IMU航姿测量部件。

此外，本申请提供的一种无人船的控制方法的实施例如图3所示，图3为本申请提供的一种无人船的控制方法的实施例的示意图，该方法包括如下步骤：

S1：利用如上任一种无人船的控制系统，接收遥控器的第一选通信号和主控部件传来的来源于上位机的第二选通信号来切换航行模式，第一选通信号的优先级高于第二选通信号；

S2：当第一选通信号为高电平时，信号切换部件响应第一选通信号的同时屏蔽第二选通信号，将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式；

S3：当第一选通信号为低电平时，信号切换部件响应第二选通信号并当第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

参考图2，信号切换部件接收主控部件的选通信号1和PWM波形1以及遥控接收机的选通信号2和PWM波形2，输出运行模式信号C和控制信号PWM波形3，这些PWM波形为频率一定且占空比可变的脉宽调制方波信号，信号切换部件根据选通信号1和选通信号2的电平状态进行无人船运行模式的切换，其中，选通信号1、选通信号2和运行模式信号C均为电平信号，信号电平状态为0或1，0表示自主航行模式，1表示远程遥控模式。选通信号1、选通信号2在任何时候都只有其中一路信号被信号切换部件执行，且选通信号2具有更高的优先级，当选通信号2电平状态为1时，信号切换部件响应来自遥控接收机的选通信号2，且屏蔽选通信号1，无人船运行模式切换为遥控器远程遥控模式；当选通信号2电平状态为0时，信号切换部件响应来自主控部件的选通信号1，根据选通信号1的电平状态将无人船运行模式切换为上位机自主航行模式或上位机远程遥控模式。上述PWM波形1、PWM波形2、控制信号PWM波形3为分别用于间接或直接控制各电机驱动部件的一组或多组PWM波形。主控部件能够实时监测信号切换部件输出的当前运行模式信号C和控制信号PWM波形3，当运行模式信号C电平状态为1时，信号切换部件输出的控制信号PWM波形3参数与遥控接收机输出的控制信号PWM波形2一致，主控部件输出的PWM波形1能够跟踪PWM波形3，此时无人船运行模式为遥控器远程遥控模式；当运行模式信号C电平状态由1转变为0时，主控部件可以根据无扰动切换控制算法输出PWM波形1，控制信号PWM波形3与PWM波形1一致；当运行模式信号C电平状态保持为0时，主控部件接收无线数传电台的导航指令，根据自主航行控制算法输出PWM波形1，控制信号PWM波形3与PWM波形1一致，无人船的运行状态由主控部件的选通信号1(由上位机控制)来决定，当选通信号1为0时则为上位机自主航行模式，当选通信号1为1时则为上位机远程遥控模式。

另外，现有技术中不能实现自主航行与手动遥控的平稳切换，当作业环境要求通信距离较近或者遇到障碍物而自主航行模式下不能及时躲避时，切换模式时控制信号的过冲会导致船体剧烈摇晃，对进行的工作任务会产生不良的影响，因此，及时进行遥控操作并在手动指令执行结束后平稳切换回自主航行模式显得尤为重要，因此为无人水面船提供一种可靠的模式切换功能，可提高其运行可靠性和安全性，以适应不同应用场景和复杂任务要求，为实现该目的，在上述无人船的控制方法中，还包括如下步骤：

当第一选通信号从高电平切换至低电平时，依次执行电机转速控制环、舵机转角控制环、航向保持控制环的无扰动切换控制之后，将无人船由遥控器远程遥控航行模式切换至上位机远程遥控航行模式。

具体的，在远程遥控模式下，PWM波形2作为输出，主控部件的PWM波形1不被响应，但主控部件的电机转速控制环持续执行，该环的给定输入为监测到的现有电机转速，根据电机PID控制，输出的电机驱动信号PWM波形1便一直跟踪PWM波形3；当无人船运行模式从手动控制切换自主航行模式时，PWM波形1作为输出，遥控接收机的PWM波形2被切断，为维持无人船电机现有转速不变，主控部件上的电机转速控制环仍然运行；然后通过各电机转速可得到当前舵角度数(无舵船的舵角度数为推进电机驱动器的差速大小，有舵船的舵角度数为舵机驱动器的电位大小)，启动舵机转角控制环：将当前舵角设置为给定舵角，根据舵角PID控制得到该给定舵角下对应的各电机期望转速，从而驱动电机转速控制环输出PWM波形1；最后启动航向保持控制环：将IMU航姿测量单元监测到的当前航向设置为给定航向，根据航向PID控制输出相应的期望舵角到舵机转角控制环。三个环节依次执行完毕后，无人船进入自主航行，根据上位机的航向指令，进行相应的航行作业，执行的过程非常快，可达到无扰动切换的目的，其中，在做无扰动切换时，每个环路的执行都通过四个步骤，以电机转速控制环为例，设置给定电机转速SP(n)与当前电机转速即反馈量PV(n)相等，同时设置历史测量值PV(n-1)为当前测量转速PV(n)，再把之前PID计算过程中累积的偏差积分Mx清零，最后执行以当前电机转速为给定值的PID计算，输出控制量OP到电机驱动器。

利用上述方式，能够在手动控制切换至自主航行模式时实现无人船操控状态的平稳切换，避免电机驱动部件在切换时因控制信号过冲引起船体瞬间的剧烈晃动，降低船体姿态突然变化对水下地形测绘、水深测量等水面任务作业数据采集精度的影响。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种无人船的控制系统，其特征在于，包括主控部件，所述主控部件连接有定位部件、航姿测量部件、无线数据传输部件、执行器测量部件和信号切换部件，所述无线数据传输部件无线连接至上位机，所述信号切换部件利用无线通信方式连接至遥控器且连接至电机驱动部件，所述电机驱动部件的另一端连接至所述执行器测量部件，所述信号切换部件用于根据接收的所述遥控器的第一选通信号和所述主控部件的来源于所述上位机的第二选通信号来切换航行模式，所述第一选通信号的优先级高于所述第二选通信号，当所述第一选通信号为高电平时，所述信号切换部件响应所述第一选通信号的同时屏蔽所述第二选通信号以将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式，当所述第一选通信号为低电平时，所述信号切换部件响应所述第二选通信号并当所述第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当所述第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

2.根据权利要求1所述的无人船的控制系统，其特征在于，所述电机驱动部件为推进电机驱动器且所述执行器测量部件为测速编码器，和/或，所述电机驱动部件为舵机驱动器且所述执行器测量部件为舵角反馈电位器。

3.根据权利要求1所述的无人船的控制系统，其特征在于，所述无线数据传输部件为具有天线的无线数据传输电台。

4.根据权利要求1所述的无人船的控制系统，其特征在于，所述定位部件为具有GPS天线的GPS接收机。

5.根据权利要求1所述的无人船的控制系统，其特征在于，所述信号切换部件利用具有天线的遥控接收机与所述遥控器连接。

6.根据权利要求1所述的无人船的控制系统，其特征在于，所述航姿测量部件为IMU航姿测量部件。

7.一种无人船的控制方法，其特征在于，包括：

利用如权利要求1-6任一项所述的无人船的控制系统，接收所述遥控器的第一选通信号和所述主控部件传来的来源于所述上位机的第二选通信号来切换航行模式，所述第一选通信号的优先级高于所述第二选通信号；

当所述第一选通信号为高电平时，所述信号切换部件响应所述第一选通信号的同时屏蔽所述第二选通信号，将无人船切换为遥控器远程遥控航行模式；

当所述第一选通信号为低电平时，所述信号切换部件响应所述第二选通信号并当所述第二选通信号为高电平时切换为上位机远程遥控航行模式，且当所述第二选通信号为低电平时切换为上位机自主航行模式。

8.根据权利要求7所述的无人船的控制方法，其特征在于，还包括：

当所述第一选通信号从高电平切换至低电平时，依次执行电机转速控制环、舵机转角控制环、航向保持控制环的无扰动切换控制之后，将所述无人船由遥控器远程遥控航行模式切换至上位机远程遥控航行模式。