CN109460041A - 一种无人艇自动舵控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人艇自动舵控制系统及方法，所述系统包括：遥控器、中心控制箱、监控系统、舵角反馈器以及转舵机构，所述遥控器与所述中心控制箱连接，所述中心控制箱与所述监控系统连接，所述监控系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制箱进行处理，所述舵角反馈器与所述中心控制箱连接，将实际舵角反馈至所述中心控制箱，所述转舵机构由所述中心控制箱控制转舵方向。本发明的无人艇自动舵控制系方法提供指定航向的控制方法和指定路线的控制方法两种，进而，大大提高了转舵精度、实现快速沿设定路线航行，无须人工干预，大大减少了操舵者的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇控制领域，尤其涉及一种新型的无人艇自动舵控制系统及方法。
背景技术
无人艇的兴起对传统的转舵方式提出了新的要求，无人艇相比有人艇，对操控具有更高的要求，作为一种智能自主的海洋机器人，无人艇具有循线航行、自动避障、自动定位等功能，对操控性的要求很高，这就需要配备自动舵。
无人艇没有自动舵时存在的问题在于：
1）无人艇在直线行驶时需要反复操舵：由于受到船体本身的缺陷，或者无人艇内部配重不平衡，水流和风力等因素的影响，无人艇在输出0度舵角时并不能沿直线行驶，而是会受到外力因素，逐渐偏离原来的航向，无人艇的操控者需要根据目测来不断修正航向，此项工作非常繁琐，而且长时间操舵也容易出现各种误操作。
2）无人艇在复杂的水域航行航线不够完美，来自人工干预的航向操作存在一定的延迟，再加上无人艇本身的惯性，导致实际航线与理想中的航线存在偏差，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，并带来了极大的不安全因素。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人艇自动舵控制系统，所述系统包括：遥控器、中心控制箱、监控系统、舵角反馈器以及转舵机构，所述遥控器与所述中心控制箱连接，无人艇航向由所述遥控器经无线通讯发送给所述中心控制箱，所述中心控制箱用于对航向数据进行解析以及修正，所述中心控制箱与所述监控系统连接，所述监控系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制箱进行处理，所述舵角反馈器与所述中心控制箱连接，将实际舵角反馈至所述中心控制箱，所述转舵机构由所述中心控制箱控制转舵方向。
进一步地，所述中心控制箱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监控系统中监控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，所述监控系统包括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。
一种无人艇自动舵控制方法，包括：指定航向的控制方法和指定路线的控制方法。
进一步地，所述指定航向的控制方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出一个指定航向的方位指令；
2）经单片机处理系统将此方位信息读取后，与三维电子罗盘传送至所述单片机处理系统的方位数据进行比较运算得到一个舵角值，并将此舵角值传递至PLC系统；
3）所述PLC系统得到的舵角值结合由舵角反馈器读取的实际舵角值进行偏差运算；
4）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着指定航向自主航行。
进一步地，在无人艇运行过程中，无人艇航向改变时，所述单机片处理系统会根据所述三维罗盘反馈回来的方位信号对舵角进行不断的修正，直到无人艇沿着固定航向航行为止。
进一步地，所述指定路线的控制方法包括如下步骤：
1）由无人艇操控者在地图上规划一条航线，遥控器截取所述航线上的坐标，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坐标后，进行切线运算，得到相应坐标下的切向方位；
3）定位系统将无人艇的实际坐标反馈至单片机处理系统，结合三维电子罗盘反馈的加速度信息，得到一个舵角值；
4）所述单片机处理系统得到的舵角值经过RS485通讯输出给PLC系统，PLC系统将接收到的舵角值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行偏差运算；
5）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着规划好的航线自主航行。
进一步地，在无人艇按照设定路线进行航行时，所述定位系统与所述三维电子罗盘全程实时对无人艇的航线进行监控。
优选地，所述定位系统为GPS定位系统。
进一步地，在无人艇偏离设定的航线时，所述单机片处理系统根据所述定位系统与所述三维电子罗盘反馈回来的航线定位信息计算出需要修正的舵角值，并由PLC系统控制转舵机构及时转舵，使得无人艇按照设定的航线航行。
本发明的一种无人艇自动舵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。并且本发明的无人艇自动舵控制系方法提供指定航向的控制方法和指定路线的控制方法两种，进而，大大提高了转舵精度、实现快速沿设定路线航行，无须人工干预，大大减少了操舵者的工作量。
附图说明
图1是本发明的无人艇自动舵控制系统的结构示意图。
图2是本发明无人艇自动舵指定航向控制的示意图。
图3是本发明的无人艇自动舵指定线路控制的示意图 。
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自动舵控制系统的结构示意图，所述系统包括：遥控器、中心控制箱、监控系统、舵角反馈器以及转舵机构，所述遥控器与所述中心控制箱连接，无人艇航向由所述遥控器经无线通讯发送给所述中心控制箱，所述中心控制箱用于对航向数据进行解析以及修正，所述中心控制箱与所述监控系统连接，所述监控系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制箱进行处理，所述舵角反馈器与所述中心控制箱连接，将实际舵角反馈至所述中心控制箱，所述转舵机构由所述中心控制箱控制转舵方向。
根据本发明的实施例，所述中心控制箱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监控系统中监控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，所述监控系统包括GPS定位系统以及三维电子罗盘，所述GPS系统定位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。
本发明还提供了一种无人艇自动舵控制方法，包括：指定航向的控制方法和指定路线的控制方法。
根据本发明的实施例，所述指定航向的控制方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出一个指定航向的方位指令；
2）经单片机处理系统将此方位信息读取后，与三维电子罗盘传送至所述单片机处理系统的方位数据进行比较运算得到一个舵角值，并将此舵角值传递至PLC系统；
3）所述PLC系统得到的舵角值结合由舵角反馈器读取的实际舵角值进行偏差运算；
4）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着指定航向自主航行。
根据本发明的实施例，在无人艇运行过程中，无人艇航向改变时，所述单机片处理系统会根据所述三维罗盘反馈回来的方位信号对舵角进行不断的修正，直到无人艇沿着固定航向航行为止。
根据本发明的实施例，所述指定路线的控制方法包括如下步骤：
1）由无人艇操控者在地图上规划一条航线，遥控器截取所述航线上的坐标，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坐标后，进行切线运算，得到相应坐标下的切向方位；
3）定位系统将无人艇的实际坐标反馈至单片机处理系统，结合三维电子罗盘反馈的加速度信息，得到一个舵角值；
4）所述单片机处理系统得到的舵角值经过RS485通讯输出给PLC系统，PLC系统将接收到的舵角值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行偏差运算；
5）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着规划好的航线自主航行。
根据本发明的实施例，在无人艇按照设定路线进行航行时，所述定位系统与所述三维电子罗盘全程实时对无人艇的航线进行监控。
根据本发明的实施例，所述定位系统为GPS定位系统。
根据本发明的实施例，在无人艇偏离设定的航线时，所述单机片处理系统根据所述定位系统与所述三维电子罗盘反馈回来的航线定位信息计算出需要修正的舵角值，并由PLC系统控制转舵机构及时转舵，使得无人艇按照设定的航线航行。
实施例一
无人艇按照指定航向进行航行，如图2所示的指定航向的示意图，以正北方向为为设定的无人艇的航向，而此时，通过三维电子罗盘监控到的无人艇实际航向是a，由于两者方向不一致，所以需要控制转舵机构使无人艇转向。
由单片机处理系统得到的正北航向与三维电子罗盘监控的实际航向a计算该偏差进行进一步的运算，输出一个舵角值u(t)：
， -35<u(t)<35；
上述公式中，e(t)为方位角偏差：e(t)=a-0=a；d(t)为时间变量；为比例系数，为积
分系数，为微分系数。
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。
单片机处理系统将计算出的舵角数据u(t)通过RS485通讯发送给PLC系统，所述
PLC系统接收到该舵角值以后，与舵角反馈器反馈回来的实际舵角进行比较，此时，>u(t)，驱动转舵机构向左转舵。
如图2所示的，无人艇转动左舵，将靠近设定航向航行。经过多次计算调整后，实际
航向与设定航向接近。并且，在计算监控过程中，<u(t)时，驱动转舵机构向右转舵。而
多次的计算将使得两者差距越来越小，最终达到动态平衡，进而实现了无人艇沿着设定航
向航行。
实施例二
无人艇按照指定线路进行航行，如图3所示的指定线路的示意图，半圆弧是使用者设定的路线，无人艇从a点（a1, a2）开向b点(b1,b2)，最后开到c点(c1,c2)，在a点开向b点的过程中，在一开始的时候，无人艇由所述定位系统和所述三维电子罗盘反馈的实际方位角为e，
相对方位角是f= ；
a点和b点之间的距离d=；
那么无人艇的相对于目标点的相对方位角和实际方位角之间存在偏差e(t)，即：
e(t)=e-f=e-；
单片机系统就根据这个偏差来计算应该输出的舵角值u(t)：
u(t)=， -35<u(t)<35；
上述公式中， 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。
当单片机处理系统将计算出来的舵角值u(t)发送给PLC系统，PLC系统结合自身从
舵角反馈器反馈回来的实际舵角开始运算，>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°。
通过这个过程就可以使无人艇准确的从a点开到b点，无人艇开到b点以后，再次把目标点定位c点，再次重复上述过程，便能使无人艇从b点开到c点。
从理论上说，从半圆弧的路线上取的坐标点越多，那么实际的航线就越接近设定好的路线，从而实现了自动舵的路线控制功能。
本发明所提供的无人艇自动舵控制方法经过厂内的多次试验以及运用到内河船上，证实了这种新型的无人艇自动舵系统可以完美的实现无人艇的自动航行功能，并同时消除了因为频繁的人工操作带来的不稳定，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 (10)
1.一种无人艇自动舵控制系统，其特征在于，所述系统包括：遥控器、中心控制箱、监控系统、舵角反馈器以及转舵机构，其特征在于：
所述遥控器与所述中心控制箱连接，无人艇航向由所述遥控器经无线通讯发送给所述中心控制箱，
所述中心控制箱用于对航向数据进行解析以及修正，所述中心控制箱与所述监控系统连接，所述监控系统不断地将航向的方位信号传递至所述中心控制箱进行处理，
所述舵角反馈器与所述中心控制箱连接，将实际舵角反馈至所述中心控制箱，
所述转舵机构由所述中心控制箱控制转舵方向。
2.根据权利要求1所述的无人艇自动舵控制系统，其特征在于：所述中心控制箱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监控系统中监控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。
3.根据权利要求2所述的无人艇自动舵控制系统，其特征在于：所述监控系统包括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。
4.一种无人艇自动舵控制方法，包括：指定航向的控制方法和指定路线的控制方法。
5.根据权利要求4所述的无人艇自动舵控制方法，其特征在于，所述指定航向的控制方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出一个指定航向的方位指令；
2）经单片机处理系统将此方位信息读取后，与三维电子罗盘传送至所述单片机处理系统的方位数据进行比较运算得到一个舵角值，并将此舵角值传递至PLC系统；
3）所述PLC系统得到的舵角值结合由舵角反馈器读取的实际舵角值进行比较运算；
4）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着指定航向自主航行。
6.根据权利要求5所述的无人艇自动舵控制方法，其特征在于，在无人艇运行过程中，无人艇航向改变时，所述单机片处理系统会根据所述三维罗盘反馈回来的方位信号对舵角进行不断的修正，直到无人艇沿着固定航向航行为止。
7.根据权利要求4所述的无人艇自动舵控制方法，其特征在于，所述指定路线的控制方法包括如下步骤：
1）由无人艇操控者在地图上规划一条航线，遥控器截取所述航线上的坐标，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坐标后，进行切线运算，得到相应坐标下的切向方位；
3）定位系统将无人艇的实际坐标反馈至单片机处理系统，结合三维电子罗盘反馈的加速度信息，得到一个舵角值；
4）所述单片机处理系统得到的舵角值经过RS485通讯输出给PLC系统，PLC系统将接收到的舵角值与舵角反馈器反馈的实际舵角值进行比较运算；
5）驱动转舵机构按照正确的舵角转动，使无人艇沿着规划好的航线自主航行。
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，在无人艇按照设定路线进行航行时，所述定位系统与所述三维电子罗盘全程实时对无人艇的航线进行监控。
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，所述定位系统为GPS定位系统。
10.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，在无人艇偏离设定的航线时，所述单机片处理系统根据所述定位系统与所述三维电子罗盘反馈回来的航线定位信息计算出需要修正的舵角值，并由PLC系统控制转舵机构及时转舵，使得无人艇按照设定的航线航行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190312 |
|
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