CN109445446A - 一种无人艇动力定位控制系统及方法 - Google Patents

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郑锐聪
刘海辉
邱湘瑶
刘湘明
李湘
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

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Abstract

本发明涉及一种无人艇动力定位控制系统及方法，所述系统包括：遥控器、中心控制系统、定位系统、舵角反馈器以及动力系统，所述遥控器与所述中心控制系统连接，所述中心控制系统用于对无人艇方位数据进行解析以及修正，所述中心控制系统与所述定位系统连接，所述舵角反馈器与所述中心控制系统连接，将实际舵角反馈至所述中心控制系统，所述动力系统与所述中心控制系统连接，并由所述中心控制系统控制其动力定位及转舵。本发明的无人艇动力定位控制方法，提高了转舵精度和动力控制灵活性、实现快速准确的定位控制，同时大大的减少了使用者的工作量。

Description

一种无人艇动力定位控制系统及方法
技术领域
本发明涉及无人艇动力定位控制领域，尤其涉及一种新型的无人艇动力定位控制系统及方法。
背景技术
无人艇的兴起对传统的船舶动力和转舵控制提出了新的要求，对无人艇新的动力和转舵控制需求越来越迫切。无人艇作为一种海洋机器人，可以替代人工进行水上长时间、高危险性的任务，同时便于操作、具有良好的稳定性和安全性等优点，受到了广大的欢迎，促进了无人艇的普及和发展。
无人艇在执行任务时，由于任务需要比如值守、跟踪、监视，经常要在海上某个位置停留，而海洋较大的水深使得无人艇无法通过抛锚等手段固定位置，因此需要用动力系统和推进器的作用力，让无人艇停留在某个位置上，这就是动力定位。
无人艇没有动力定位系统时存在的问题在于：
1）无人艇在需要定位控制依靠人工控制非常繁琐：由于无人艇在水面上航行会受到各种外力因素的影响，即便关闭了动力系统也容易飘走，特别是在水流湍急的河流或者风力肆虐的海边，会受到持续的外力作用，单靠人工操控，既要控制动力系统，同时也要控制转舵机构，几乎没办法使无人艇停留在水面上的某个点附近。而且长时间的反复控制会很容易使操控者产生精神疲劳，一不小心就容易使无人艇失去控制。
2）无人艇在复杂的水域定点控制的精度不高：没有GPS系统的辅助，单靠人工目测来给无人艇定位，无疑会产生较大的误差，特别是在宽阔的水域上，静止的参照物非常少，这就给人工动力定位带来了极大的麻烦。再加上来自人工干预的动力和航向操作存在一定的延迟，无人艇本身的惯性也是非常大，导致实际航行情况与理想中的航行存在偏差，甚至容易撞到水面上的障碍物，这对无人艇的操控性产生了极差的体验和极大的不安全因素。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人艇动力定位控制系统，所述系统包括：遥控器、中心控制系统、定位系统、舵角反馈器以及动力系统，所述遥控器与所述中心控制系统连接，所述遥控器将动力定位信号经无线网络发送给所述中心控制系统，所述中心控制系统用于对无人艇方位数据进行解析以及修正，所述中心控制系统与所述定位系统连接，所述定位系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制系统进行处理，所述舵角反馈器与所述中心控制系统连接，将实际舵角反馈至所述中心控制系统，所述动力系统与所述中心控制系统连接，并由所述中心控制系统控制其动力定位及转舵。
进一步地，所述动力系统包括动力机构和转舵机构，所述动力机构用于对无人艇进行动力定位及动力加速。
进一步地，所述中心控制系统包括单片机处理系统和PLC系统，所述单片机处理系统将所述定位系统中定位到的方位信号处理后反馈至所述PLC系统，所述PLC系统与所述舵角反馈器连接。
进一步地，所述定位系统包括GPS定位系统以及三维电子罗盘，所述GPS定位系统与所述三维电子罗盘分别连接于所述单片机处理系统的两端。
优选地，所述舵角反馈器为绝对值舵角反馈器。
进一步地，所述遥控器上安装有动力定位按键。
一种无人艇动力定位控制方法，包括以下步骤：
1）由遥控器发出动力定位指令，并通过无线通讯发送给无人艇单片机处理系统；
2）所述单片机处理系统接收上述定位指令后，将定位指令传递至PLC系统，所述PLC系统控制动力机构停止无人艇动力供给；
3）此时，GPS定位系统将此时的无人艇定位坐标传递至所述单片机处理系统，并结合三维电子罗盘反馈的实际方位角信息，进行数据分析处理；
4）所述单片机处理系统得到的数据值传递给PLC系统，PLC系统将接收到的数据值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行比较运算；
5）驱动动力机构与转舵机构，使无人艇回到停靠原点。
进一步地，所述步骤3)中由所述单片机处理系统计算出的无人艇所处位置与无人艇停靠原点间的距离大于设定值时，启动无人艇的动力机构，并驱动转舵机构，使其向着停靠原点开进，当无人艇逐渐接近目标原点时缓慢减速，直至到达目标原点后关闭动力机构。
优选地，所述设定距离＜=3m。
本发明的一种无人艇动力定位控制系统及方法的优点在于：无人艇自动舵控制系统采用单片机处理系统和PLC系统来控制动力机构和转舵机构，并由GPS定位、三维电子罗盘和舵角反馈器一起组成一个闭环控制网络，再加上单片机处理系统上运行的高效算法。无人艇动力定位系统是一个全自动、智能化控制系统，包含了转舵和动力控制，全程无需人工干预，，一键自动执行，自行修正偏差。并且本发明的无人艇动力定位控制方法，提高了转舵精度和动力控制灵活性、实现快速准确的定位控制，同时大大的减少了使用者的工作量。
附图说明
图1是本发明的无人艇动力定位控制系统的结构示意图。
图2是本发明无人艇动力定位控制的实例示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例，对本发明的一种无人艇自动舵控制系统及方法进行进一步地详细说明。
如图1所示的本发明的无人艇动力定位控制系统的结构示意图，所述系统包括：遥控器、中心控制系统、定位系统、舵角反馈器以及动力系统，所述遥控器与所述中心控制系统连接，所述遥控器将动力定位信号经无线网络发送给所述中心控制系统，所述中心控制系统用于对无人艇方位数据进行解析以及修正，所述中心控制系统与所述定位系统连接，所述定位系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制系统进行处理，所述舵角反馈器与所述中心控制系统连接，将实际舵角反馈至所述中心控制系统，所述动力系统与所述中心控制系统连接，并由所述中心控制系统控制其动力定位及转舵。
根据本发明的实施例，所述动力系统包括动力机构和转舵机构，所述动力机构用于对无人艇进行动力定位及动力加速。
根据本发明的实施例，所述中心控制系统包括单片机处理系统和PLC系统，所述单片机处理系统将所述定位系统中定位到的方位信号处理后反馈至所述PLC系统，所述PLC系统与所述舵角反馈器连接。
根据本发明的实施例，所述定位系统包括GPS定位系统以及三维电子罗盘，所述GPS定位系统与所述三维电子罗盘分别连接于所述单片机处理系统的两端。
根据本发明的实施例，所述舵角反馈器为绝对值舵角反馈器。
根据本发明的实施例，所述遥控器上安装有动力定位按键。
一种无人艇动力定位控制方法，包括以下步骤：
1）由遥控器发出动力定位指令，并通过无线通讯发送给无人艇单片机处理系统；
2）所述单片机处理系统接收上述定位指令后，将定位指令传递至PLC系统，所述PLC系统控制动力机构停止无人艇动力供给；
3）此时，GPS定位系统将此时的无人艇定位坐标传递至所述单片机处理系统，并结合三维电子罗盘反馈的实际方位角信息，进行数据分析处理；
4）所述单片机处理系统得到的数据值传递给PLC系统，PLC系统将接收到的数据值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行比较运算；
5）驱动动力机构与转舵机构，使无人艇回到停靠原点。
根据本发明的实施例，所述步骤3)中由所述单片机处理系统计算出的无人艇所处位置与无人艇停靠原点间的距离大于设定值时，启动无人艇的动力机构，并驱动转舵机构，使其向着停靠原点开进，当无人艇逐渐接近目标原点时缓慢减速，直至到达目标原点后关闭动力机构。
根据本发明的实施例，所述设定距离＜=3m。
实施例一
如图2所示的本发明无人艇动力定位控制的实例示意图，图中的中心原点就是此次无人艇按下动力定位按键时的定位点a，其坐标是a(a1,a2), 假设系统设定的动力定位启动范围是e，动力定位结束范围是f。
无人艇随即关闭动力机构，在风力或水流还有船体本身惯性的综合作用下，船舶飘到了b点，坐标是b(b1,b2)，
那么a点和b点之间的距离：c=，
a点和b点之间的相对方位角：d=，
而无人艇的实际方位角是g；当a点与b点之间的距离大于设定的动力定位启动距离，即c>e时，启动无人艇动力系统，无人艇开始加速，同时单片机处理系统根据相对方位角d和实际方位角g之间的偏差进行舵角的运算：
， -35<u(t)<35；
上述公式中，e(t)为方位角偏差：e(t)=g-d=g-；
为比例系数，为积分系数，为微分系数，d(t)为时间变量。
所述的比例系数、积分系数、微分系数均为动态参数，可以通过船体的重量、风力等实时进行调整。
单片机处理系统通过上述公式计算出实时的输出舵角u(t)，并将该舵角通过 RS485通讯发送到PLC系统，PLC系统接收到该舵角信号以后，马上与舵角反馈器反馈的实际 舵角进行比较运算，>u(t)时驱动转舵机构左转舵，<u(t)时则驱动转舵机 构右转舵，使时转舵完成，此时，与u(t)差值的绝对值在0-3°。
在单片机处理系统和PLC系统的控制下，无人艇会一直向着中心原点a的坐标前进，两者之间的距离c也会逐渐缩小，当两者之间的距离c<=e时，无人艇以一定的负加速度曲线，让无人艇慢慢减速，直至c<=f，这时控制系统将关闭动力，暂时结束转舵控制，由船体惯性慢慢飘向原点坐标，假如无人艇在外力的作用下再次远离中心原点，控制系统则会重新启动这个流程，完成这个循环控制，最终达到无人艇动力定位的目的。
经过厂内的多次试验及参数调整以及运用到内河船上，证实了这种新型的无人艇动力定位系统控制算法和控制系统的结合，可以完美的实现无人艇的动力定位功能，其动力定位精度达到3米以内，并同时消除了因为频繁的人工操作带来的不稳定、人工目测产生的误差，大大提高了使用体验性，已经在国内市场上得到了多次应用验证并取得良好的效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个 或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (9)

1.一种无人艇动力定位控制系统，其特征在于，所述系统包括：遥控器、中心控制系统、定位系统、舵角反馈器以及动力系统，
所述遥控器与所述中心控制系统连接，所述遥控器将动力定位信号经无线网络发送给所述中心控制系统，
所述中心控制系统用于对无人艇方位数据进行解析以及修正，所述中心控制系统与所述定位系统连接，所述定位系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制系统进行处理，
所述舵角反馈器与所述中心控制系统连接，将实际舵角反馈至所述中心控制系统，
所述动力系统与所述中心控制系统连接，并由所述中心控制系统控制其动力定位及转舵。
2.根据权利要求1所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述动力系统包括动力机构和转舵机构，
所述动力机构用于对无人艇进行动力定位及动力加速。
3.根据权利要求1所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述中心控制系统包括单片机处理系统和PLC系统，所述单片机处理系统将所述定位系统中定位到的方位信号处理后反馈至所述PLC系统，
所述PLC系统与所述舵角反馈器连接。
4.根据权利要求1所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述定位系统包括GPS定位系统以及三维电子罗盘，
所述GPS定位系统与所述三维电子罗盘分别连接于所述单片机处理系统的两端。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：
所述舵角反馈器为绝对值舵角反馈器。
6.根据权利要求1-4任一项所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述遥控器上安装有动力定位按键。
7.一种无人艇动力定位控制方法，包括以下步骤：
1）由遥控器发出动力定位指令，并通过无线通讯发送给无人艇单片机处理系统；
2）所述单片机处理系统接收上述定位指令后，将定位指令传递至PLC系统，所述PLC系统控制动力机构停止无人艇动力供给；
3）此时，GPS定位系统将此时的无人艇定位坐标传递至所述单片机处理系统，并结合三维电子罗盘反馈的实际方位角信息，进行数据分析处理；
4）所述单片机处理系统得到的数据值传递给PLC系统，PLC系统将接收到的数据值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行比较运算；
5）驱动动力机构与转舵机构，使无人艇回到停靠原点。
8.根据权利要求7所述的无人艇自动舵控制方法，其特征在于，所述步骤3)中由所述单片机处理系统计算出的无人艇所处位置与无人艇停靠原点间的距离大于设定距离时，启动无人艇的动力机构，并驱动转舵机构，使其向着停靠原点开进，当无人艇逐渐接近目标原点时缓慢减速，直至到达目标原点后关闭动力机构。
9.根据权利要求8所述的无人艇自动舵控制方法，其特征在于，所述设定距离＜=3m。
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