CN109521775A - 一种无人艇自动返航控制系统及方法 - Google Patents

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刘海辉
邱湘瑶
刘湘明
李湘
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及一种无人艇自动返航控制系统及方法，所述方法包括：遥控器发出自动返航指令、单片机处理系统进行数据解析、PLC系统数据运算并驱动转舵机构，使无人艇返回停靠点的步骤。无人艇自动返航控制系统包括：遥控器与所述单片机处理系统连接，遥控器将自动返航指令经无线网络发送给所述单片机处理系统，单片机处理系统用于对无人艇方位数据以及遥控器所在坐标数据进行解析以及修正，单片机处理系统与定位系统连接，PLC系统分别与单片机处理系统、舵角反馈器以及转舵机构连接，PLC系统控制所述转舵机构转舵。本发明提供的自动返航系统及方法，全程无需人工干预，提高了转舵精度，实现快速自动返航，减少了操舵者的工作量。

Description

一种无人艇自动返航控制系统及方法
技术领域
本发明涉及无人艇自动控制领域，尤其涉及一种新型的无人艇自动返航控制系统及方法。
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，新型的智能化操舵取代常规的液压舵机在我国的应用越来越多。无人艇自动返航控制系统及方法优异的操舵性能，便于操作、维修、节能，良好的稳定性和安全性等优点受到了广大船东的欢迎。
无人艇没有自动返航控制系统时存在的问题在于：
1）无人艇在手动控制返航时需要反复操舵：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，而且目测容易出现各种误差，此项工作非常繁琐，需要长时间保持专注操舵，容易造成身心疲劳，出现各种误操作。
2）无人艇在复杂的水域尤其是出现视觉障碍时操舵返航困难，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，尤其是当无人艇的视频出现故障或者遇到雨雾天气时，能见度极低，无法判断无人艇所在的位置和船头方位，这对人工操控无人艇返航会造成极大的困扰。
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返航控制系统及方法，所述方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出自动返航指令，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自动返航指令后，所述单片机处理系统对所述遥控器实时坐标进行解析；
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，所述单片机处理系统进行数据分析处理，并得出一个舵角值；
4）所述单片机处理系统将得到的舵角值传递给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，使无人艇返回停靠点。
进一步地，所述步骤4）中计算得到的舵角值与所述舵角反馈器反馈的实际舵角值比较，当舵角值大于实际舵角值时，驱动所述转舵机构右转舵；当舵角值小于实际舵角值时，驱动所述转舵机构左转舵。
一种无人艇自动返航控制系统，所述系统包括：遥控器、单片机处理系统、PLC系统、定位系统、舵角反馈器以及转舵机构，所述遥控器与所述单片机处理系统连接，所述遥控器将自动返航指令经无线网络发送给所述单片机处理系统，所述单片机处理系统用于对无人艇方位数据以及遥控器所在坐标数据进行解析以及修正，所述单片机处理系统与所述定位系统连接，所述PLC系统分别与所述单片机处理系统、舵角反馈器以及转舵机构连接，所述PLC系统控制所述转舵机构转舵。
进一步地，所述定位系统包括北斗加GPS定位和三维电子罗盘，所述北斗加GPS定位与所述三维电子罗盘分别设置于所述单机片处理系统的两端。
本发明的一种无人艇自动返航控制系统及方法的优点在于：无人艇自动返航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。无人艇自动返航系统是一个全自动、智能化控制系统，包含了转舵控制，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自动返航控制方法，提高了转舵精度，实现快速自动返航，同时大大的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返航控制系统的结构示意图。
图2是本发明无人艇自动返航控制的实例示意图。
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返航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返航控制系统的结构示意图，所述系统包括：遥控器、单片机处理系统、PLC系统、定位系统、舵角反馈器以及转舵机构，所述遥控器与所述单片机处理系统连接，所述遥控器将自动返航指令经无线网络发送给所述单片机处理系统，所述单片机处理系统用于对无人艇方位数据以及遥控器所在坐标数据进行解析以及修正，所述单片机处理系统与所述定位系统连接，所述PLC系统分别与所述单片机处理系统、舵角反馈器以及转舵机构连接，所述PLC系统控制所述转舵机构转舵。
根据本发明的实施例，所述定位系统包括北斗加GPS定位和三维电子罗盘，所述北斗加GPS定位与所述三维电子罗盘分别设置于所述单机片处理系统的两端。
一种无人艇自动返航控制方法，所述方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出自动返航指令，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自动返航指令后，所述单片机处理系统对所述遥控器实时坐标进行解析；
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，所述单片机处理系统进行数据分析处理，并得出一个舵角值；
4）所述单片机处理系统将得到的舵角值传递给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，使无人艇返回停靠点。
根据本发明的实施例，所述步骤4）中计算得到的舵角值与所述舵角反馈器反馈的实际舵角值比较，当舵角值大于实际舵角值时，驱动所述转舵机构右转舵；当舵角值小于实际舵角值时，驱动所述转舵机构左转舵。
实施例一
如图2所示的本发明无人艇自动返航控制的实例示意图，图中的无人艇操控者在遥控上发出自动返航指令和遥控器的实时坐标a。
无人艇接收到该信号以后，先由单片机处理系统先对遥控器坐标进行解析，得到其坐标是a(a1,a2)，综合无人艇上GPS定位系统传过来的无人艇定位数据b(b1,b2)，进行反三角函数运算，
计算出a、b两者之间的相对方位角：c=arctan[ (b1-a1)/(b2-a2)]，
然后结合三维电子罗盘传过来的无人艇实时方位角d，无人艇单片机处理系统进行偏差运算，计算出一个舵角值：
e(t)= arctan[ (b1-a1)/(b2-a2)]-d；
u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt) ；
其中kp为比例系数， TI为积分时间常数， TD为微分时间常数，这三个系数跟无人艇本身的属性有关，需要根据船体特性修改相关系数, dt为时间变量,根据定为时间的变化而改变。
单片机处理系统计算出舵角数据以后通过RS485通讯传给给PLC系统，所述PLC系统收到这个舵角信号以后，与当前舵角反馈器反馈的实际舵角u1(t)进行对比，当u(t)＞u1(t)时，驱动所述转舵机构右转舵；当u(t)＜u1(t)时， 驱动所述转舵机构左转舵。努力使实际方位角d不断向相对方位角c靠拢。
在无人艇移动过程中，无人艇本身的坐标和方位都是不断变化的，当无人艇航行到图2中的f(f1,f2)点位置时，加入遥控器的位置不发生变化，那么此时无人艇和遥控之间的相对方位角变为h，那么单片机处理系统按照上述计算方式运算之后会输出一个舵角为u2(t)，PLC系统将通过舵角反馈器反馈回来的实际舵角为u3(t)，将两个舵角值进行比较后，PLC系统将根据对比结果不断调整转舵机构，使实际方位角g不断向相对方位角h靠拢。
这此时遥控器和无人艇之间的距离会原来越近，最终实现无人艇的自动返航。全程的计算也操控全部由单片机、传感器和PLC等系统合作完成，无须人工干预，安全、高效、快捷，使用者只需在开始的时候点下自动返航的按键发出自动返航指令即可。
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返航控制系统可以完美的实现无人艇的自动返航功能，并同时消除了因为频繁的人工操作带来的不稳定，减少了恶劣环境下操控的种种不便利，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 (4)

1.一种无人艇自动返航控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）由遥控器发出自动返航指令，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自动返航指令后，所述单片机处理系统对所述遥控器实时坐标进行解析；
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，所述单片机处理系统进行数据分析处理，并得出一个舵角值；
4）所述单片机处理系统将得到的舵角值传递给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，使无人艇返回停靠点。
2.根据权利要求1所述的无人艇自动返航控制方法，其特征在于，所述步骤4）中计算得到的舵角值与所述舵角反馈器反馈的实际舵角值比较，
当舵角值大于实际舵角值时，驱动所述转舵机构右转舵；
当舵角值小于实际舵角值时，驱动所述转舵机构左转舵。
3.一种无人艇自动返航控制系统，其特征在于，所述系统包括：遥控器、单片机处理系统、PLC系统、定位系统、舵角反馈器以及转舵机构，
所述遥控器与所述单片机处理系统连接，所述遥控器将自动返航指令经无线网络发送给所述单片机处理系统，
所述单片机处理系统用于对无人艇方位数据以及遥控器所在坐标数据进行解析以及修正，所述单片机处理系统与所述定位系统连接，
所述PLC系统分别与所述单片机处理系统、舵角反馈器以及转舵机构连接，
所述PLC系统控制所述转舵机构转舵。
4.根据权利要求3所述的无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述定位系统包括北斗加GPS定位和三维电子罗盘，所述北斗加GPS定位与所述三维电子罗盘分别设置于所述单机片处理系统的两端。
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