CN109814547A - 风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法。本装置包括船载罗经、航向偏差分析器、航向控制器、舵机、舵、风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器。船载罗经实时提供无人艇的航向信息；航向偏差分析器计算期望航向角与实际航向角之间的偏差并传送至航向控制器；航向控制器根据航向角偏差信息生成主舵角指令并传输至舵机，由舵机控制转舵并相应地调整航向。本发明可快速有效地降低风、浪干扰对无人艇航向控制过程的负面影响，从而缩短航程、节省航行时间和燃料消耗，具有较高的实用价值和推广价值。

Description

风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法

技术领域

本发明涉及一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法。属于无人艇航向自动控制技术领域。

背景技术

在无人艇航行过程中，风、浪、流等外界干扰因素的影响会导致无人艇偏离预定航向，造成航行时间加长，燃料消耗增多等问题。为了保障无人艇在海上航行的安全性和经济性，需要对无人艇的航向进行较为精确地控制。

目前，对于无人艇航向控制的方法主要是运用GPS装置、导航雷达、陀螺罗经等设备并配备相应控制器(比如：模糊控制器、自适应控制器、PID控制器等)。专利申请号为201610180161.2，发明名称为“一种水面无人艇航向控制系统及方法”的专利，它的特征是“系统包括：上位机、传输电台和下位机等装置；方法包括：在上位机操作的人机交互界面中输入期望航向角等”。该专利在航向控制过程中并没有考虑风、浪等外部干扰因素。专利申请号为201510169286.0，发明名称为“一种基于模糊自适应算法的无人艇航向航速协同控制方法”的专利，它的特征是“方法包括：获取并设定无人艇自主航行目标点经纬度坐标，采集无人艇的经纬度、航向角等”。专利申请号为201410027287.7，发明名称为“基于模糊PID的无人水面艇直线跟踪方法”的专利，它的特征是“系统包括：GPS装置、模糊PID控制器(由距离计算器、角度偏差比较器、PID控制器及推理模块等组成)；方法包括：用GPS装置动态地获得航向角θ以及实时经纬度坐标值(X,Y)等”。以上两个专利中的运动模型参数难以实时并准确地描述无人艇运动状态的变化；所采用的扰动装置并不能准确地确定干扰模型；对于所使用的模糊控制器，其模糊控制算法的结构、输入输出变量的模糊域及模糊规则的确立都需要丰富的工程实践经验，因而不具备广泛的适用性。

无人艇在航行过程中发生偏航主要是受到外部环境干扰因素的影响，而在这些干扰因素中，风和浪对无人艇航向的影响最大。通过舵机控制无人艇的舵可以实现其航向调整，为改善无人艇航向保持和航向跟踪性能，十分有必要考虑风、浪干扰的负面影响。

现有技术中，暂时还没有通过组合使用风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器来实现对海平面风、浪情况进行检测、分析并最终将其转换为相应的附加舵角的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法，能快速有效地降低风、浪对无人艇航向控制过程的负面影响，从而缩短航程、节省航行时间和燃料消耗。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置，包括船载罗经、航向偏差分析器、航向控制器、舵机、舵、风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器。风浪扰动分析装置和等效舵角转换器连接舵机，航向偏差分析器经航向控制器连接舵机，所述舵机连接舵，舵安装上无人艇上，无人艇上安装船载罗经，船载罗经电连接航向偏差分析器。风浪检测装置用来检测海平面风、浪状况；风浪扰动分析装置对检测到的风浪信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量；等效舵角转换器将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角。

本发明所述一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置的工作原理为：

首先设定期望航向角θ_d，船载罗经实时提供无人艇的航向信息，航向偏差分析器计算θ_d与实际航向角θ_r之间的偏差θ_e并传送至航向控制器；航向控制器根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机，进而通过舵机控制舵转向。当航向角偏差的绝对值小于等于m°时，无人艇保持当前航向航行，当航向角偏差的绝对值大于m°时，风浪检测装置开始检测海平面的风、浪状况；风浪扰动分析装置对风浪检测装置检测到的风、浪信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量；等效舵角转换器将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角；主舵角与附加舵角相加后传给舵机，并由舵机控制转舵进而调整航向。

本发明主要针对目前还没有通过组合使用风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器来对海平面风、浪干扰进行检测、分析并最终生成相应的附加舵角这一现状，提出了一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，使得无人艇可以通过附加舵角来降低风、浪干扰的负面影响，从而实现较精确的无人艇航向控制。

一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，采用上述装置进行操作，其特征在于包括下列步骤：

步骤1：设定期望航向角；

步骤2：航向偏差分析器计算实际航向角与期望航向角的偏差，当航向角偏差的绝对值小于等于m°时转至步骤11；否则，把航向角偏差信息传送至航向控制器并转至步骤3；

步骤3：航向控制器根据航向偏差分析器所提供的航向角偏差信息生成主舵角指令并传输至舵机；

步骤4：舵机根据主舵角指令控制转舵；

步骤5：船载罗经再次检测航向信息，当航向角偏差的绝对值大于m°时，转至步骤6；否则，转至步骤11；

步骤6：风浪检测装置实时检测海平面风、浪状况，并将检测到的信息传送至风浪扰动分析装置；

步骤7：风浪扰动分析装置对风浪检测装置检测到的信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量，并传输至等效舵角转换器；

步骤8：等效舵角转换器将风、浪干扰虚拟量等效为相应的附加舵角；

步骤9：将附加舵角和主舵角相加后传输至舵机；

步骤10：舵机根据步骤9所生成的舵角信息控制转舵，并转至步骤2；

步骤11：航向角偏差符合要求，无人艇按照当前航向行驶。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

本发明在风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，当风、浪干扰对无人艇的航向影响较大且仅通过主舵角信息无法实现精确的航向控制时，通过组合使用风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器来对海平面风、浪情况进行检测、分析并最终将其转换为相应的附加舵角，从而实现无人艇按照预定航向行驶。该方法简单易行，可以有效地节省航行时间和燃料消耗，具有较高的实用价值。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置，包括风浪检测装置(1)、风浪扰动分析装置(2)、等效舵角转换器(3)、航向偏差分析器(4)、航向控制器(5)、舵机(6)、舵(7)和船载罗经(9)，其特征在于：所述风浪检测装置(1)经风浪扰动分析装置(2)和等效舵角转换器(3)连接舵机(6)，航向偏差分析器(4)经航向控制器(5)连接舵机(6)，所述舵机(6)连接舵(7)，舵(7)安装在无人艇(8)上，无人艇(8)上安装船载罗经(9)，船载罗经(9)电连接航向偏差分析器(4)；所述船载罗经(9)实时提供无人艇的航向信息，航向偏差分析器(4)计算期望航向角θ_d与实际航向角θ_r之间的偏差θ_e并传送至航向控制器(5)；航向控制器(5)根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机(6)，进而通过舵机(6)控制舵(7)转向；当航向角偏差的绝对值小于等于m°(m≥0)时，无人艇保持当前航向航行，当航向角偏差的绝对值大于m°时，风浪检测装置(1)开始检测海平面的风、浪状况；风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)检测到的风、浪信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave；等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角δ_wind和δ_wave；主舵角与附加舵角相加后传给舵机(6)，并由舵机(6)控制转舵(7)进而调整航向。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

a.航向偏差分析器(4)计算航向角偏差，舵机(6)根据主舵角指令δ_t转舵(7)并控制航向；

b.再次计算航向角偏差，若航向角偏差θ_e的绝对值大于m°时，舵机(6)根据舵角指令δ_sum，δ_sum＝δ_t+δ_wind+δ_wave，进行转舵(7)操作并相应地控制航向；

c.重复上面两个步骤直至航向角偏差θ_e的绝对值小于等于m°。

实施例三：参见图2，本风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法，采用上述装置进行操作，操作步骤如下：

步骤1：根据任务需求设定期望航向角θ_d；

步骤2：船载罗经(9)实时提供航向信息，航向偏差分析器(4)计算期望航向角θ_d与实际航向角θ_r的偏差θ_e，当航向角偏差θ_e的绝对值小于等于m°时转至下述的步骤11，否则,把航向角偏差θ_e的信息传送至航向控制器(5)；

步骤3：航向控制器(5)根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机(6)；

步骤4：舵机(6)根据主舵角指令δ_t控制转舵(7)；

步骤5：船载罗经(9)再次检测航向信息，航向偏差分析器(4)计算航向角偏差θ_e，当航向角偏差的绝对值大于m时，继续下面的步骤；否则，转至下述的步骤11；

步骤6：风浪检测装置(1)实时检测海平面风、浪状况，并将检测到的信息传送至风浪扰动分析装置(2)；

步骤7：风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)检测到的信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave，并传输至等效舵角转换器(3)；

步骤8：等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave等效为相应的附加舵角δ_wind和δ_wave；

步骤9：将附加舵角δ_wind、δ_wave和主舵角δ_t整合后生成舵角指令δ_sum并传输至舵机(6)；

步骤10：舵机(6)根据舵角指令δ_sum控制转舵(7)，转至步骤2；

步骤11：航向角偏差θ_e满足要求，无人艇(8)按照当前航向行驶。

实施例四：

如附图1所示，本风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置包括风浪检测装置(1)、风浪扰动分析装置(2)、等效舵角转换器(3)、航向偏差分析器(4)、航向控制器(5)、舵机(6)、舵(7)和船载罗经(9)。风浪检测装置(1)用来实时检测海平面风、浪状况；风浪扰动分析装置(2)的作用是根据检测到的风、浪信息生成风、浪干扰虚拟量；等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角。

本风浪干扰作用下的无人艇航向保持的实现方法，即提出了一种将风浪干扰作用转换为无人艇附加舵角的方法，从而使得无人艇按照预定的航向行驶。

下面结合附图2对风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法进行说明。该方法包括下列步骤：

步骤1：根据任务需求设定期望航向角θ_d；

步骤2：船载罗经(9)实时提供航向信息，航向偏差分析器(4)计算期望航向角θ_d与实际航向角θ_r的偏差θ_e，当航向角偏差θ_e的绝对值小于等于m°时转至步骤11，否则,把航向角偏差θ_e的信息传送至航向控制器(5)；

步骤3：航向控制器(5)根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机(6)；

步骤4：舵机(6)根据主舵角指令δ_t控制转舵(7)；

步骤5：船载罗经(9)再次检测航向信息，航向偏差分析器(4)计算航向角偏差θ_e，当航向角偏差的绝对值大于m°时，继续下面的步骤；否则，转至步骤11；

步骤6：风浪检测装置(1)实时检测海平面风、浪状况，并将检测到的信息传送至风浪扰动分析装置(2)；

步骤7：风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)检测到的信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave，并传输至等效舵角转换器(3)，其中

步骤8：等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave等效为相应的附加舵角δ_wind和δ_wave；

步骤9：将附加舵角δ_wind、δ_wave和主舵角δ_t整合后生成舵角指令δ_sum并传输至舵机(6)；

步骤10：舵机(6)根据舵角指令δ_sum控制转舵(7)，转至步骤2；

步骤11：航向角偏差θ_e满足要求，无人艇(8)按照当前航向行驶。

所述步骤8中，将风、浪干扰虚拟量等效为附加舵角的方法为：

a.将风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave与无人艇二自由度线性数学模型相结合并引入量纲分析法可得：

式(i)中：

该步骤中用到的无人艇二自由度运动数学模型为：

其中v，r，δ分别是无人艇的横移速度，艏摇角速度以及舵角；m为无人艇质量，I_zz表示无人艇对Z轴的惯性矩；Y_v，Y_r，Y_δ分别为v，r和δ在Y方向上的力；N_v，N_r，N_δ分别为v，r和δ在绕Z轴方向的力矩；分别为加速度和在Y方向上的力；分别为加速度和在绕Z轴方向的力矩；x_c为无人艇重心在X轴的坐标；其他物理量的含义见权利要求书。

b.对公式(i)进行简化并利用线性叠加定理得到其频域输出为：

上式中C为二维单位矩阵；

c.利用一阶Nomoto模型推导方法对式(ii)进行简化得：

δ(s)为由δ产生的艏摇角速度，该式的时域表示式为：

其中：

同理可推得D_wind(s)→r(s)以及D_wave(s)→r(s)的传递函数，将其转化为时域表示式便可以得到δ_wind和δ_wave的表达式，其表达式为：

上式中C′_y2为无量纲浪力系数，C′_n2为无量纲浪力的力矩系数，为相对波长，是波高h_w对应的Froude数；其它物理量的含义见(a)及权利要求书。

本发明中一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置和方法的特点是通过组合使用风浪检测装置、风浪扰动分析装置和等效舵角转换器对海平面风、浪情况进行检测、分析并最终将其转换为相应的附加舵角，从而利用舵机转舵就可以快速有效地降低风、浪干扰对无人艇航向控制过程的负面影响，提高航向控制精度。该方法简单易行，既能有效地降低航行时间，同时也符合当今节能降耗的工业发展原则，具有很高的实用价值和经济价值。

Claims (5)

1.一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置，包括风浪检测装置(1)、风浪扰动分析装置(2)、等效舵角转换器(3)、航向偏差分析器(4)、航向控制器(5)、舵机(6)、舵(7)和船载罗经(9)，其特征在于：所述风浪检测装置(1)经风浪扰动分析装置(2)和等效舵角转换器(3)连接舵机(6)，航向偏差分析器(4)经航向控制器(5)连接舵机(6)，所述舵机(6)连接舵(7)，舵(7)安装在无人艇(8)上，无人艇(8)上安装船载罗经(9)，船载罗经(9)电连接航向偏差分析器(4)；所述船载罗经(9)实时提供无人艇的航向信息，航向偏差分析器(4)计算期望航向角θ_d与实际航向角θ_r之间的偏差θ_e并传送至航向控制器(5)；航向控制器(5)根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机(6)，进而通过舵机(6)控制舵(7)转向；当航向角偏差的绝对值小于等于m°(m≥0)时，无人艇保持当前航向航行，当航向角偏差的绝对值大于m°时，风浪检测装置(1)开始检测海平面的风、浪状况；风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)检测到的风、浪信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave；等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角δ_wind和δ_wave；主舵角与附加舵角相加后传给舵机(6)，并由舵机(6)控制转舵(7)进而调整航向。

2.根据权利要求1所述的一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置，其特征在于：

a.航向偏差分析器(4)计算航向角偏差，舵机(6)根据主舵角指令δ_t转舵(7)并控制航向；

b.再次计算航向角偏差，若航向角偏差θ_e的绝对值大于m°时，舵机(6)根据舵角指令δ_sum，δ_sum＝δ_t+δ_wind+δ_wave，进行转舵(7)操作并相应地控制航向；

c.重复上面两个步骤直至航向角偏差θ_e的绝对值小于等于m°。

3.一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，采用根据权利要求1所述的一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持装置进行操作，其特征在于操作步骤如下:

步骤1：根据任务需求设定期望航向角θ_d；

步骤2：船载罗经(9)实时提供航向信息，航向偏差分析器(4)计算期望航向角θ_d与实际航向角θ_r的偏差θ_e，当航向角偏差θ_e的绝对值小于等于m°时转至下述的步骤11，否则,把航向角偏差θ_e的信息传送至航向控制器(5)；

步骤3：航向控制器(5)根据航向角偏差θ_e生成主舵角指令δ_t并传输至舵机(6)；

步骤4：舵机(6)根据主舵角指令δ_t控制转舵(7)；

步骤5：船载罗经(9)再次检测航向信息，航向偏差分析器(4)计算航向角偏差θ_e，当航向角偏差的绝对值大于m°时，继续下面的步骤；否则，转至下述的步骤11；

步骤6：风浪检测装置(1)实时检测海平面风、浪状况，并将检测到的信息传送至风浪扰动分析装置(2)；

步骤7：风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)检测到的信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave，并传输至等效舵角转换器(3)；

步骤8：等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave等效为相应的附加舵角δ_wind和δ_wave；

步骤9：将附加舵角δ_wind、δ_wave和主舵角δ_t整合后生成舵角指令δ_sum并传输至舵机(6)；

步骤10：舵机(6)根据舵角指令δ_sum控制转舵(7)，转至步骤2；

步骤11：航向角偏差θ_e满足要求，无人艇(8)按照当前航向行驶。

4.根据权利要求3所述的一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，其特征在于所述步骤7中，风浪扰动分析装置(2)对风浪检测装置(1)所检测到的风、浪信息进行分析并生成风、浪干扰虚拟量F_wind和F_wave，即：

其中Y_wind和N_wind分别表示风的干扰力和干扰力矩，C_y为风力系数，C_n为风力矩系数，γ_R为风舷角，ρ_A为空气密度，V_R为相对风速，A_s为无人艇水线以上侧投影面积，ρ为水密度，L为船长，Y_wave和N_wave分别表示波浪的干扰力和干扰力矩，B为船宽，a＝ρg(1-e^-kd)/k²，k为波数，d为吃水深度，g为重力加速度，(χ为浪向角)，s(t)＝(kh_ω/2)sin(ω_et)，ω_e为波浪频率，h_ω为波高，ξ(t)＝(h_ω/2)cos(ω_et)为在附体坐标系原点处波面的振荡。

5.根据权利要求3所述的一种风浪干扰作用下的无人艇航向保持方法，其特征在于所述步骤8中，将风、浪干扰虚拟量等效为附加舵角的方法为：

等效舵角转换器(3)将风、浪干扰虚拟量与无人艇二自由度线性数学模型相结合并利用线性叠加定理等，最终将风、浪干扰虚拟量等效成相应的附加舵角δ_wind和δ_wave，即：

其中C_y1为风力系数，C_n1为风力矩系数，V为船速，C_y2为无量纲浪力系数，C_n2为无量纲浪力的力矩系数，α＝L_w/L为相对波长，Y_v表示横移速度(v)在Y方向上的力，N_v表示v在绕Z轴方向上的力矩，是波高hw对应的Froude数。