CN109606188A - 一种充电船、无人船协同充电系统及协同充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电船、无人船协同充电系统及协同充电方法，通过上述协同充电方法，充电船在控制系统的控制下趋近目标无人船，并且充电船上的机械臂夹持充电插头在控制系统的控制指令下插入无人船的充电插槽，实现自动充电工作。由此，建立一种无人化的充电机制，可以利用智能船舶的定位能力，基于一致性算法，实时保证充电船和无人船之间的相对距离，在不影响无人船工作的情况下完成充电。

Description

一种充电船、无人船协同充电系统及协同充电方法

技术领域

本发明涉及智能体集群协同作业技术领域，尤其涉及一种充电船、无人船协同充电系统及协同充电方法。

背景技术

无人船是一种依靠自身携带的能源进行自主航行的水面船舶，其体积小、吃水浅、机动灵活，能替代工作人员从事各种水上作业，目前在水环境检测、水文测量、安防、核安全、抗洪抢险等方面得到了越来越广泛的应用。

无人船通常由船载电池供电。当电力快要耗尽时，需要控制无人船返航或对无人船进行打捞回收，由工作人员将其电池卸下，更换电池后才能继续投入使用。该方法需要人为干预，不利于远程操作，无法适用于广阔海域或无人值守的岛屿作业；另一方面，更换电池或回收时，无人船必须停止工作，其任务进度和效率会受到严重影响。因此，急需提供一种自动化的无人船充电方案。

公开于该背景技术部分的信息仅仅指在增加对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

针对上述传统无人船充电过程中存在的问题，本发明的目的在于提供一种充电船、无人船协同充电系统及协同充电方法。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种充电船，包括电性连接的控制系统、推力系统、环境感知系统、定位导航系统、通讯系统和协同航行控制器。所述环境感知系统包括风速计、激光雷达和双目摄像头，所述环境感知系统用来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息；所述定位导航系统包括全球定位系统、多普勒测速仪和惯性导航设备，所述定位导航系统用于实时收集充电船的位置、航速和航向等运动状态信息；所述通讯系统包括信号收发通信设备，通过所述信号收发通信设备来进行充电船与待充电船的双向数据通信；所述协同航行控制器依据无人船的目标轨迹和实际轨迹计算出充电船的目标轨迹，并将所述目标轨迹传递给控制系统；所述推力系统包括动力机、传动组件和推进器，所述控制系统依据该目标轨迹计算出推进器所需推力，并将执行指令输送给推力系统执行。

优选的，所述全球定位系统为差分全球定位系统或北斗定位系统中的一种。

优选的，所述动力机为发动机或电动机。

优选的，所述信号收发通信设备为无线电台。

一种无人船协同充电系统，包括充电船、机械臂系统、视觉定位系统和多个无人船。所述充电船采用上述的充电船；所述机械臂系统采用多关节式机械臂，所述多关节式机械臂与机械臂主控器电性连接，在所述机械臂的自由端头夹持充电插头，所述充电插头与多个无人船上设置的充电插槽匹配；所述视觉定位系统包括高清摄像头和定位控制器，定位控制器与所述高清摄像头和充电船的控制系统电性连接；多个所述无人船包括信号收发通信设备、动力系统、电池和充电插槽。

一种无人船协同充电方法，方法包括以下步骤：

步骤1：充电船接收给目标无人船充电的指令后，即驶向目标无人船区域，直至进入安全充电距离d，此时充电船向待充电无人船发送协同航行指令，请求获取无人船的目标运动轨迹和实际运动信息；

步骤2：计算充电船的目标轨迹，充电船上的协同航行控制器根据待充电无人船发送的运动信息，按照一致性理论，计算出充电船的目标运动轨迹；

步骤3：协同航行控制器输出的目标运动轨迹，作为新的输入，导入充电船的控制系统，控制系统随后将目标推力分配到各个推进器，推力系统启动执行并完成协同航行；

步骤4：当充电船和无人船之间的相对位置趋于稳定后，机械臂系统开始工作，定位控制器依据多个高清摄像头捕捉到的视觉信息，计算出无人船上充电插槽的准确位置，并将该信息传输给机械臂系统的控制系统，控制系统向机械臂系统的各关节发出角度指令，控制机械臂将充电插头插入无人船上的充电插槽，完成无人船的充电；

步骤5：电池组充电完成后，充电船发送指令取消协同定位状态，切断与该无人船的通信；充电船自动切换目标，进入下一艘无人船的充电任务，完成所有无人船的充电任务后返航。

优选的，所述目标运动轨迹为无人船执行探测任务的理想运动路线，并由无人船自身的轨迹规划所确定；实际运动信息由定位导航系统测量确定。

优选的，在步骤二中，充电船的目标运动轨迹计算方法为包括如下步骤：

①设置充电船运动轨迹的数学模型为二阶模型，表示为：

其中，x₁和x₂为充电船的位置信息和速度信息，I_3×3为单位矩阵，u为目标定位点的坐标；

矩阵A₀，A₁和B₁分别为：

B₁＝-A₀；

其中ω_ni和ζ_i(i＝x,y,ψ)为系统在水平面内运动的固有频率和阻尼系数，由控制系统的参数所决定；

②计算充电船的目标轨迹，按照一致性理论，为保证充电作业中两船的间距不变，速度相同，设计充电船的目标轨迹为：

p_d＝α[(η_d+δ-η₂)+λ(v_d-v₂)]+β[(η₁+δ-η₂)+λ(v₁-v₂)]；

其中，在每一时间步长内，η_d和v_d分别为待充电无人船的目标轨迹和速度，η₁和v₁为实际位置和速度，δ为充电船给无人船充电时两船的设计间距，η₂和v₂为充电船的位置和速度；α和β为协同控制增益，用于权衡目标轨迹误差和实际相对误差；λ为位置阻尼比，用于权衡位置误差和速度误差；其中上式中的第一项保证η₂→η_d+δ，v₂→v_d；第二项保证η₂→η₁+δ，v₂→v₁；该公式实现了充电船对目标轨迹的跟踪，又保证了充电船与无人船的实际相对距离；

③将上一步得到的目标轨迹p_d，导入充电船的控制系统，即u＝p_d，控制系统随后将目标推力分配到各推进器上，由推力系统执行完成协同航行。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过一种无人船海上充电方法及充电无人船系统，建立一种无人化的充电机制；无人船的充电工作无需人为干预，可以利用智能船舶的定位能力，基于一致性算法，实时保证充电船和无人船之间的相对距离，在不影响无人船工作的情况下完成充电。

附图说明

图1为充电船接收指令，驶入目标无人船的安全充电距离d示意图；

图2为充电船和目标无人船进入协同航行状态示意图；

图3为充电船系统组成示意图；

图4为视觉定位系统和机械臂系统的工作示意图；

图5为充电船、目标无人船充电工作示意图。

具体实施方式

下面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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了无人船充电的起始阶段，即充电船接收给目标无人船充电的指令后，即驶向目标无人船区域，直至进入安全充电距离d，此时充电船向无人船发送协同航行指令，请求获取无人船的目标运动轨迹和实际运动信息。

图中O₁和O₂指示为充电船和无人船的中心。

图2展示了充电船和无人船进入协同航行状态示意图。此时无人船继续按照自身任务所确定的η_d和v_d航行，其实际运动η₁和v₁由定位导航系统测量得到，并通过通讯系统传递给充电船。充电船按照一致性算法，计算出目标轨迹p_d作为输入，传递给控制系统执行，使得充电船的位置和速度分别为η₂和v₂。该方法能够保证两船的速度一致，且相对距离收敛为δ。

图3展示了充电船的示意图。充电船包括控制系统、推力系统、环境感知系统、定位导航系统、通讯系统和协同航行控制器。其中，环境感知系统通过风速计、激光雷达和双目摄像头来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息。定位导航系统通过定位系统、多普勒测速仪、惯性导航设备来实时收集充电船的位置、航速和航向等运动状态信息；通讯系统采用无线电台的方式来进行充电船与待充电无人船的双向数据通信，将无人船的位置信息传入协同航行控制器，以进行轨迹规划和反馈控制。

其中，环境感知系统包括风速计、激光雷达和双目摄像头，风速计、激光雷达和双目摄像头与通讯系统电信连接，他们分别将采集的外界环境的风速、风向和航行区域内的障碍物信息传送给所述通讯系统。

定位导航系统包括全球定位系统、多普勒测速仪和惯性导航设备，所述全球定位系统、多普勒测速仪和惯性导航设备分别与通讯系统电信连接，他们分别将实时收集的充电船的位置、航速和航向等运动状态信息传送给所述通讯系统。

全球定位系统采用差分全球定位系统(DGPS)或北斗定位系统中的一种。优先为北斗定位系统。

通讯系统包括信号收发通信设备，通过所述信号收发通信设备来进行充电船与待充电船的双向数据通信。将无人船的位置信息传入协同航行控制器，以进行轨迹规划和反馈控制。

协同航行控制器依据无人船的目标轨迹和实际轨迹计算出充电船的目标轨迹，并将所述目标轨迹传递给控制系统；所述推力系统包括动力机、传动组件和推进器，所述控制系统依据该目标轨迹计算出推进器所需推力，并将执行指令输送给推力系统执行。

在协同航行控制器的设计中，主要包括以下几个步骤：

①设置充电船运动轨迹的数学模型为二阶模型，表示为：

其中x₁和x₂为充电船的位置信息和速度信息，I_3×3为单位矩阵，u为目标定位点的坐标；

矩阵A₀，A₁和B₁分别为：

B₁＝-A₀；

其中ω_ni和ζ_i(i＝x,y,ψ)为系统在水平面内运动的固有频率和阻尼系数，由控制系统的参数所决定x、y和Ψ为三个自由度；

②计算充电船的目标轨迹，按照一致性理论，为保证充电作业中两船的间距不变，速度相同，设计充电船的目标轨迹为：

p_d＝α[(η_d+δ-η₂)+λ(v_d-v₂)]+β[(η₁+δ-η₂)+λ(v₁-v₂)]；

其中，在每一时间步长内，η_d和v_d分别为待充电无人船的目标轨迹和速度，η₁和v₁为实际位置和速度，δ为充电船给无人船充电时两船的设计间距，η₂和v₂为充电船的位置和速度；α和β为协同控制增益，用于权衡目标轨迹误差和实际相对误差；λ为位置阻尼比，用于权衡位置误差和速度误差；其中上式中的第一项保证η₂→η_d+δ，v₂→v_d；第二项保证η₂→η₁+δ，v₂→v₁；该公式实现了充电船对目标轨迹的跟踪，又保证了充电船与无人船的实际相对距离；

③将上一步得到的目标轨迹p_d，导入充电船的控制系统，即u＝p_d，控制系统随后将目标推力分配到各推进器上，由推力系统执行完成协同航行。

图4则是协同航行状态下，视觉定位系统和机械臂系统的工作示意图。视觉定位系统由多个高清摄像头和定位控制器组成，定位控制器依据摄像头捕捉的位置信息确定无人船上充电插槽的准确位置。机械臂系统的机械臂主控器接收该位置信息后，计算出各关节的角度，控制机械臂准确的将充电插头插入无人船上电池槽。

图5则是在协同航行状态下，充电船、目标无人船充电工作示意图，此时充电船与无人船能较为稳定的保持设计距离δ。机械臂系统安装在充电船上，由机械臂主控器和多关节式机械臂组成。高清摄像头安装在充电船上的支撑杆上，能无遮蔽的观测充电船和无人船之间的相对位置。基于该位置信息，主控器计算出机械臂各关节的角度，控制充电插头准确的插入无人船上的电池槽。充电过程的安全性和稳定性，由协同航行控制器保证。

具体的，一种无人船协同充电系统，包括充电船、机械臂系统、视觉定位系统和多个无人船。机械臂系统采用多关节式机械臂，多关节式机械臂与机械臂主控器电性连接，在机械臂的自由端头夹持充电插头。视觉定位系统包括高清摄像头和定位控制器，定位控制器与高清摄像头和充电船的控制系统电性连接；多个所述无人船包括信号收发通信设备、动力系统、电池和充电插槽。机械臂的充电插头与多个无人船上设置的充电插槽匹配。

依据上述充电船和无人船协同充电系统，还提供了一种无人船协同充电方法，方法包括以下步骤：

步骤1：充电船接收给目标无人船充电的指令后，即驶向目标无人船区域，直至进入安全充电距离d，此时充电船向待充电无人船发送协同航行指令，请求获取无人船的目标运动轨迹和实际运动信息。

步骤2：计算充电船的目标轨迹，充电船上的协同航行控制器根据待充电无人船发送的运动信息，按照一致性理论，计算出充电船的目标运动轨迹。

步骤3：协同航行控制器输出的目标运动轨迹，作为新的输入，导入充电船的控制系统，控制系统随后将目标推力分配到各个推进器，推力系统启动执行并完成协同航行。

步骤4：当充电船和无人船之间的相对位置趋于稳定后，机械臂系统开始工作，定位控制器依据多个高清摄像头捕捉到的视觉信息，计算出无人船上充电插槽的准确位置，并将该信息传输给机械臂系统的控制系统，控制系统向机械臂系统的各关节发出角度指令，控制机械臂将充电插头插入无人船上的充电插槽，完成无人船的充电。

步骤5：电池组充电完成后，充电船发送指令取消协同定位状态，切断与该无人船的通信；充电船自动切换目标，进入下一艘无人船的充电任务，完成所有无人船的充电任务后返航。

目标运动轨迹为无人船执行探测任务的理想运动路线，并由无人船自身的轨迹规划所确定；实际运动信息由定位导航系统测量确定。

随着人工智能技术应用领域的逐步扩展，作为智能船舶概念的重要延伸，多无人船协同控制技术的研究和应用受到了学术界和工业界的广泛关注。目前，多无人船的编队控制和协同拖曳控制技术已经日趋成熟，逐步应用于实际生产和国防领域。因此，基于多无人船的协同控制技术，利用无人充电船舶代替工作人员，自主对目标无人船进行充电的方案，能有效的克服现阶段无人船充电的缺点和不足。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种充电船，包括电性连接的控制系统、推力系统、环境感知系统、定位导航系统、通讯系统和协同航行控制器，其特征在于：

所述环境感知系统包括风速计、激光雷达和双目摄像头，所述环境感知系统用来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息；

所述定位导航系统包括全球定位系统、多普勒测速仪和惯性导航设备，所述定位导航系统用于实时收集充电船的位置、航速和航向等运动状态信息；

所述通讯系统包括信号收发通信设备，通过所述信号收发通信设备来进行充电船与待充电船的双向数据通信；

所述协同航行控制器依据无人船的目标轨迹和实际轨迹计算出充电船的目标轨迹，并将所述目标轨迹传递给控制系统；

所述推力系统包括动力机、传动组件和推进器，所述控制系统依据该目标轨迹计算出推进器所需推力，并将执行指令输送给推力系统执行。

2.根据权利要求1所述的充电船，其特征在于：所述全球定位系统为差分全球定位系统或北斗定位系统中的一种。

3.根据权利要求1所述的充电船，其特征在于：所述动力机为发动机或电动机。

4.根据权利要求1所述的充电船，其特征在于：所述信号收发通信设备为无线电台。

5.一种无人船协同充电系统，包括充电船、机械臂系统、视觉定位系统和多个无人船，其特征在于：

所述充电船采用如权利要求1-4任一项所述的充电船；

所述机械臂系统采用多关节式机械臂，所述多关节式机械臂与机械臂主控器电性连接，在所述机械臂的自由端头夹持充电插头，所述充电插头与多个无人船上设置的充电插槽匹配；

所述视觉定位系统包括高清摄像头和定位控制器，定位控制器与所述高清摄像头和充电船的控制系统电性连接；

多个所述无人船包括信号收发通信设备、动力系统、电池和充电插槽。

6.一种无人船协同充电方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

步骤1：充电船接收给目标无人船充电的指令后，即驶向目标无人船区域，直至进入安全充电距离d，此时充电船向待充电无人船发送协同航行指令，请求获取无人船的目标运动轨迹和实际运动信息；

步骤2：计算充电船的目标轨迹，充电船上的协同航行控制器根据待充电无人船发送的运动信息，按照一致性理论，计算出充电船的目标运动轨迹；

步骤3：协同航行控制器输出的目标运动轨迹，作为新的输入，导入充电船的控制系统，控制系统随后将目标推力分配到各个推进器，推力系统启动执行并完成协同航行；

步骤4：当充电船和无人船之间的相对位置趋于稳定后，机械臂系统开始工作，定位控制器依据多个高清摄像头捕捉到的视觉信息，计算出无人船上充电插槽的准确位置，并将该信息传输给机械臂系统的控制系统，控制系统向机械臂系统的各关节发出角度指令，控制机械臂将充电插头插入无人船上的充电插槽，完成无人船的充电；

步骤5：电池组充电完成后，充电船发送指令取消协同定位状态，切断与该无人船的通信；充电船自动切换目标，进入下一艘无人船的充电任务，完成所有无人船的充电任务后返航。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述目标运动轨迹为无人船执行探测任务的理想运动路线，并由无人船自身的轨迹规划所确定；实际运动信息由定位导航系统测量确定。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在步骤二中，充电船的目标运动轨迹计算方法为包括如下步骤：

①设置充电船运动轨迹的数学模型为二阶模型，表示为：

其中x₁和x₂为充电船的位置信息和速度信息，I_3×3为单位矩阵，u为目标定位点的坐标；

矩阵A₀，A₁和B₁分别为：

其中ω_ni和ζ_i(i＝x,y,ψ)为系统在水平面内运动的固有频率和阻尼系数，由控制系统的参数所决定；

②计算充电船的目标轨迹，按照一致性理论，为保证充电作业中两船的间距不变，速度相同，设计充电船的目标轨迹为：

p_d＝α[(η_d+δ-η₂)+λ(v_d-v₂)]+β[(η₁+δ-η₂)+λ(v₁-v₂)]；

其中，在每一时间步长内，η_d和v_d分别为待充电无人船的目标轨迹和速度，η₁和v₁为实际位置和速度，δ为充电船给无人船充电时两船的设计间距，η₂和v₂为充电船的位置和速度；α和β为协同控制增益，用于权衡目标轨迹误差和实际相对误差；λ为位置阻尼比，用于权衡位置误差和速度误差；其中上式中的第一项α[(η_d+δ-η₂)+λ(v_d-v₂)]保证η₂→η_d+δ，v₂→v_d；第二项β[(η₁+δ-η₂)+λ(v₁-v₂)]保证η₂→η₁+δ，v₂→v₁；该公式实现了充电船对目标轨迹的跟踪，又保证了充电船与无人船的实际相对距离；

③将上一步得到的目标轨迹p_d，导入充电船的控制系统，即u＝p_d，控制系统随后将目标推力分配到各推进器上，由推力系统执行完成协同航行。