CN109808853A - 一种无人艇艏向航速分级控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人艇技术领域，具体公开了一种无人艇艏向航速分级控制系统及其控制方法，所述无人艇艏向航速分级控制系统包括控制器、制导系统、气象仪和扰动观测器；所述控制器与制导系统、扰动观测器连接，所述气象仪与扰动观测器连接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，航速控制器、艏向控制器均与驱动无人艇行驶的动力装置连接。本发明的无人艇艏向航速分级控制系统利分级控制的方式，可实现对无人艇的航速和艏向的单独控制，提高无人艇航速和艏向的控制效率与精度，使无人艇按照设定的测线航行，极大地提高了无人艇航行的精准度，同时也解决了解决复杂海况下无人艇偏航过大的问题。

Description

一种无人艇艏向航速分级控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无人艇技术领域，具体涉及一种无人艇艏向航速分级控制系统及利用该控制系统控制无人艇艏向航速的方法。

背景技术

随着国家海洋战略的逐步扩大，海图测绘在海洋科技领域的地位日益提高。其中，无人艇作为新兴的智能化运载平台，凭借其体积小、吃水浅以及无人化等特点受到越来越多的青睐。通过搭载不同的模块完成不同的任务需求，海图测绘过程则需搭载声纳设备，无人艇的出现也弥补了近岸海图的空白。然而海图测绘过程中要求无人艇沿设定的测线航行，并且要保证艏向和航速稳定在允许误差范围内。这对于在复杂海况中作业的无人艇来说，其环境感知能力和自主修正能力需大幅提升，从而对控制系统的性能提出了更高的要求。因此，保证无人艇海图测绘过程中的精准度，提高海图测绘质量，需要一套控制系统应用于无人艇。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种无人艇艏向航速分级控制系统及利用该控制系统控制无人艇艏向航速的方法。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无人艇艏向航速分级控制系统，包括控制器、制导系统、气象仪和扰动观测器；所述控制器与制导系统、扰动观测器连接，所述气象仪与扰动观测器连接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，航速控制器、艏向控制器均与驱动无人艇行驶的动力装置连接。所述控制器属于无人艇的控制核心，用于无人艇整个测绘过程航速和艏向的精准控制；其中，航速控制器通过设定航速与反馈的实时航速之间的误差，结合扰动观测器对外界扰动的估计值，将设定航速和反馈的实时航速之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将航速控制参数信号输出至无人艇的动力装置，对无人艇的航速进行控制；艏向控制器通过设定艏向角与反馈的实时艏向角之前的误差，结合扰动观测器对外界扰动的估计值，将设定艏向角和反馈的实时艏向角之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将艏向角控制参数信号输出至无人艇的动力装置，对无人艇的艏向进行控制。所述制导系统用于根据设定航线和实际海况为无人艇实时提供参照航线，并将参照航线传输给控制器。所述气象仪用于观测海上风浪的情况并将风浪信息传输给扰动观测器。所述扰动观测器根据接收的风浪信号估算海上风浪对无人艇航速和艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给控制器。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，无人艇的动力装置包括油门和舵，所述油门根据航速控制器输出的航速控制参数信号实时调整无人艇的航速，保证航速在设定航速值附近；所述舵根据艏向控制器输出的艏向角控制参数信号实时调整无人艇的艏向角，保证艏向角在设定艏向角值附近。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块，所述路径规划模块与导航模块、避障模块、控制器连接。所述导航模块通过陀螺仪测量无人艇的艏向角速度并将信号传递给路径规划模块，以实现自主导航的作用；所述避障模块主要由激光雷达组成，通过激光雷达发射激光束探测无人艇周围障碍物的位置、速度等特征量，并将这些特征量信号传输给路径规划模块，等待路径规划模块决策；所述路径规划模块接收导航模块和避障模块传输的信息，并结合LOS算法（Lin ofsight，视线法）对无人艇实际测绘过程中的设定测线进行实时更新，路径规划模块接收障碍物信号后根据障碍物情况实时更新设定测线，并将更新后的设定测线传输给控制器。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，所述扰动观测器包括航速扰动观测器和艏向扰动观测器，所述航速扰动观测器与航速控制器连接，所述艏向扰动观测器与艏向控制器连接。所述航速扰动观测器接收气象仪传输的信号，通过自身算法合理估计风浪对航速的扰动结果，并将扰动结果传输给航速控制器；所述艏向扰动观测器接收气象仪传输的信号，通过自身算法合理估计风浪对艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给艏向控制器。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，所述气象仪包括风速风向仪和海浪检测仪。所述风速风向仪用于实时监测海上风速大小和风向，并将监测的风速和风向信号传输给扰动观测器；所述海浪监测仪用于实时监测海上海浪的大小，并将监测的海浪信号传输给扰动观测器。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，所述航速控制器中运行的自主控制程序包含有反步自适应控制算法，所述艏向控制器中运行的自主控制程序包含有滑模变结构控制算法。反步自适应算法的基本思想是是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分Lyapunov 函数和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计，另外通过自适应方法不断逼近最终的控制律。滑模变结构控制是一种特殊的变结构控制，它利用变结构控制器，在有限时间内将系统状态从初始状态驱动到并维持在切换函数所决定的一个超平面上；滑模变结构控制的原理是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束，系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。

根据上述的无人艇艏向航速分级控制系统，优选地，所述航速控制器中运行的自主控制程序还包含有梯度下降优化算法，所述艏向控制器中运行的自主控制程序还包含有粒子群优化算法。梯度下降优化算法采用梯度下降法实时优化航速控制器的参数，并将优化后的参数信号输出至航速控制器，梯度下降优化算法的原理是首先选择一个初值使得目标函数成立，然后不断更新迭代初值，直到收敛，那么更新迭代的方向便是函数的负梯度方向。粒子群优化算法采用鸟群觅食法实时优化艏向控制器的参数，并将优化后的参数信号输出至艏向控制器；粒子群优化算法的原理是通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解，首先初始化为一群随机粒子（随机解），然后通过迭代找到最优解。

一种利用上述无人艇艏向航速分级控制系统控制无人艇艏向航速的方法，包括以下步骤：

（1）开启制导系统，制导系统根据设定航线控制无人艇开始航行；

（2）当无人艇的制导系统探测到有障碍物时，根据障碍物情况实时更新设定航线，并将更新后的设定航线传输给控制器，控制器控制无人艇的动力装置按照制导系统的设定航线航行；

（3）通过气象仪监测的海上的风浪信号，并将风浪信号传输给扰动观测器，扰动观测器根据接收的风浪信号估算风浪对无人艇航速和艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给控制器；

（4）航速控制器根据设定航速与实时监测的航速之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的航速，并将航速数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的航速稳定在允许误差范围内；艏向控制器根据设定艏向角与实时监测的艏向角之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的艏向，并将艏向数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的艏向稳定在允许误差范围内。

与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：

（1）本发明采用分级控制策略分别设计了航速控制器和艏向控制器，对无人艇的航速和艏向实现单独控制，有效避免了航速控制和艏向控制二者之间的相互干涉；而且，航速控制器根据设定航速与反馈的实时航速之间的误差，结合反步自适应控制算法和航速扰动观测器对外界扰动的估计值，可将设定航速和反馈的实时航速之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将航速控制参数信号输出至无人艇的油门设备，实现对无人艇航速精准控制；艏向控制器根据设定艏向角与反馈的实时艏向角之前的误差，结合滑模变结构控制算法和艏向扰动观测器对外界扰动的估计值，将设定艏向角和反馈的实时艏向角之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将艏向角控制参数信号输出至无人艇的舵设备，实现对无人艇艏向的精准控制；因此，本发明的无人艇艏向航速分级控制系统利分级控制的方式，可实现对无人艇的航速和艏向的单独控制，提高无人艇航速和艏向的控制效率与精度，使无人艇按照设定的测线航行，极大地提高了无人艇航行的精准度，同时也解决了解决复杂海况下无人艇偏航过大的问题。

（2）航速控制器中运行有梯度下降优化算法的自主控制程序，通过梯度下降优化算法程序可对航速控制器的参数进行优化，实现航速控制器对航速的最优控制；艏向控制器中运行有粒子群优化算法的自主控制程序，通过粒子群优化算法程序可对艏向控制器的参数进行优化，实现艏向控制器对艏向角的最优控制，进一步提高了无人艇航速和艏向的控制精度。

（3）本发明无人艇艏向航速分级控制系统设计合理，整个控制系统在海图测绘的过程无人工干预，完全自主，可以满足海上测绘无人化的需求。

（4）本发明控制无人艇艏向航速的方法操作简单，采用该方法可实现对无人艇的航速和艏向的单独控制，提高无人艇航速和艏向的控制效率与精度，使无人艇按照设定的航线航行，提高了无人艇航行的精准度，解决了解决复杂海况下无人艇偏航过大的问题。

（5）本发明控制无人艇艏向航速的方法适用于无人艇海图测绘过程中航速和艏向的控制，能够使无人艇按照设定的计划测线航行，并不断地修正航行中与计划测线的偏移量，使无人艇尽可能地航向在计划测线上，减小了无人艇航行过程中航速、艏向与设定航速、设定艏向之间的误差，极大地提高了无人艇海图测绘过程中的精准度。

附图说明

图1为本发无人艇艏向航速分级控制系统的示意图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明，但并不限制本发明的范围。

实施例1：

一种无人艇艏向航速分级控制系统，如图1所示，包括制导系统、控制器、气象仪和扰动观测器；控制器与制导系统、扰动观测器连接，气象仪与扰动观测器连接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，所述航速控制器与无人艇的油门设备连接，所述艏向控制器与无人艇的舵设备连接。

所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块，所述路径规划模块与导航模块、避障模块、控制器连接；所述导航模块通过陀螺仪测量无人艇的艏向角速度并将信号传递给路径规划模块，以实现自主导航的作用；所述避障模块主要由激光雷达组成，通过激光雷达发射激光束探测无人艇周围障碍物的位置、速度等特征量，并将这些特征量信号传输给路径规划模块，等待路径规划模块决策；所述路径规划模块接收导航模块和避障模块传输的信息，并结合LOS算法对无人艇实际测绘过程中的设定测线进行实时更新，路径规划模块接收障碍物信号后根据障碍物情况实时更新设定测线，并将更新后的设定测线传输给控制器。

所述扰动观测器包括航速扰动观测器和艏向扰动观测器，所述航速扰动观测器与航速控制器连接，所述艏向扰动观测器与艏向控制器连接；所述航速扰动观测器接收气象仪传输的信号，通过自身算法合理估计风浪对航速的扰动结果，并将扰动结果传输给航速控制器；所述艏向扰动观测器接收气象仪传输的信号，通过自身算法合理估计风浪对艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给艏向控制器。

所述气象仪包括风速风向仪和海浪检测仪；所述风速风向仪用于实时监测海上风速大小和风向，并将监测的风速和风向信号传输给扰动观测器；所述海浪监测仪用于实时监测海上海浪的大小，并将监测的海浪信号传输给扰动观测器。

所述控制器属于无人艇的控制核心，用于无人艇整个测绘过程航速和艏向的精准控制。其中，航速控制器中运行的自主控制程序包含有反步自适应控制算法和梯度下降优化算法，航速控制器通过设定航速和反馈的实时航速之间的误差，结合反步自适应控制算法和航速扰动观测器对外界扰动的估计值，将设定航速与反馈的实时航速之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将航速控制参数信号输出至无人艇的油门设备，油门设备根据航速控制器输出的航速控制参数信号实时调整无人艇的航速，保证航速在设定航速值附近，从而实现对无人艇航速的控制；而且，航速控制参数信号输出前，采用梯度下降优化算法实时优化航速控制器的参数，然后再将优化后的参数信号输出。所述艏向控制器中运行的自主控制程序包含有滑模变结构控制算法和粒子群优化算法，艏向控制器通过设定艏向角和反馈的实时艏向角之间的误差，结合滑模变结构控制算法和艏向扰动观测器对外界扰动的估计值，将设定艏向角与反馈的实时艏向角之间的误差缩小至一定范围甚至使其收敛，并将艏向角控制参数信号输出至无人艇的舵设备，舵设备根据艏向控制器输出的艏向角控制参数信号实时调整无人艇的艏向角，保证艏向角在设定艏向角值附近，从而实现对无人艇艏向的控制；而且，艏向角控制参数信号输出前，采用粒子群优化算法实时优化艏向控制器的参数，然后再将优化后的参数信号输出。

实施例2：

一种利用实施例1所述无人艇艏向航速分级控制系统控制无人艇艏向航速的方法，包括以下步骤：

（1）开启制导系统，制导系统根据设定航线控制无人艇开始航行；

（2）当无人艇的避障模块探测到有障碍物时，将障碍物信号传输给路径规划模块，路径规划模块接收障碍物信号后根据障碍物情况实时更新设定航线，并将更新后的设定航线传输给控制器，控制器控制无人艇的动力装置按照路径规划模的设定航线航行；

（3）通过气象仪监测的海上的风浪信号，并将风浪信号传输给扰动观测器，扰动观测器根据接收的风浪信号估算风浪对无人艇航速和艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给控制器；

（4）航速控制器根据设定航速与实时监测的航速之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的航速，并将航速数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的航速稳定在允许误差范围内；艏向控制器根据设定艏向角与实时监测的艏向角之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的艏向，并将艏向数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的艏向稳定在允许误差范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，包括控制器、制导系统、气象仪和扰动观测器；所述控制器与制导系统、扰动观测器连接，所述气象仪与扰动观测器连接；所述控制器包括航速控制器和艏向控制器，所述航速控制器、艏向控制器均与驱动无人艇行驶的动力装置连接。

2.根据权利要求1所述的无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块，所述路径规划模块与导航模块、避障模块、控制器连接。

3.根据权利要求2所述的无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，所述扰动观测器包括航速扰动观测器和艏向扰动观测器，所述航速扰动观测器与航速控制器连接，所述艏向扰动观测器与艏向控制器连接。

4.根据权利要求3所述的无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，所述气象仪包括风速风向仪和海浪检测仪。

5.根据权利要求1-4任一所述的无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，所述航速控制器中运行的自主控制程序包含有反步自适应控制算法，所述艏向控制器中运行的自主控制程序包含有滑模变结构控制算法。

6.根据权利要求5所述的无人艇艏向航速分级控制系统，其特征在于，所述航速控制器中运行的自主控制程序还包含有梯度下降优化算法，所述艏向控制器中运行的自主控制程序还包含有粒子群优化算法。

7.一种利用权利要求1或2或3或4或6所述无人艇艏向航速分级控制系统控制无人艇艏向航速的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）开启制导系统，制导系统根据设定航线控制无人艇开始航行；

（2）当无人艇的制导系统探测到有障碍物时，根据障碍物情况实时更新设定航线，并将更新后的设定航线传输给控制器，控制器控制无人艇的动力装置按照制导系统的设定航线航行；

（3）通过气象仪监测的海上的风浪信号，并将风浪信号传输给扰动观测器，扰动观测器根据接收的风浪信号估算风浪对无人艇航速和艏向的扰动结果，并将扰动结果传输给控制器；

（4）航速控制器根据设定航速与实时监测的航速之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的航速，并将航速数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的航速稳定在允许误差范围内；艏向控制器根据设定艏向角与实时监测的艏向角之间的误差以及接收到的扰动结果，调整无人艇的艏向，并将艏向数据信号传输给无人艇的动力装置，使无人艇的艏向稳定在允许误差范围内。