CN110161858A - 一种自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法。(1)设定控制输入数据丢包的起始时刻t0，根据波浪周期T0决定每次丢包所包含的控制输入数据的数量n的上限；(2)当kiT≤t＜ki+1T时，令v(t)＝v(kiT)；(3)将期望航速v*(k)与当前实际航速v(t)相减得到误差e(kiT)，根据e(kiT)求解控制输出F(t)，当e(kiT)的绝对值|e(kiT)|小于设定的偏差阈值e0时执行步骤(4)否则执行(5)；(4)当螺旋桨的震荡频率f小于不丢包时螺旋桨的震荡频率f1跳出循环，否则令n＝n+1；(5)根据e(kiT)解算出控制输出指令F(t)；(6)推进机构接收并执行控制输出指令F(t)，更新自然能驱动无人艇航速v(t)，并转到步骤(2)。本发明不仅实现了对自然能驱动无人艇航速的有效控制，同时解决了自然能驱动无人艇推进机构震荡剧烈的问题。

Description

一种自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种无人艇运动控制方法，具体地说是一种自然能驱动无人艇的航速控制方法。
背景技术
无人艇在执行如海图绘制，水文测量等任务时，常需要无人艇在海上长时间不间断的作业，这就对无人艇的续航能力提出了更高的要求。由锂电池以及柴油机提供动力的常规动力的无人艇因自身搭载能力的限制，常面临续航能力不足的问题。在此背景下利用风能、太阳能以及波浪能等混合能源形式提供动力的自然能驱动无人艇成为近年研究的热点。良好的航速控制性能是无人艇顺利完成各种任务的前提。与波浪滑翔器结构相似，自然能驱动无人艇的下方安装有水翼，水翼可以将波浪的升沉运动转化成驱动无人艇前进的推力。但是因波浪的周期运动特性以及不可控性导致由水翼产生的这部分驱动力存在周期性震荡以及不可控的特性。驱动力的不完全可控性以及周期震荡特性使得自然能驱动无人艇的航速存在周期震荡的现象，因此在对自然能驱动无人艇的航速进行控制时因控制输入的周期性震荡特性将导致螺旋桨的输出产生周期性的震荡，从而损害螺旋桨的使用寿命。
在文献“Network-Based Heading Control and Rudder Oscillation Reductionfor unmanned Surface Vehicles”中，作者提出一种降低舵机输出震荡幅值的丢包算法，在此基础上实现对无人艇航向的控制。但是该文献提出的丢包算法并没有降低舵机输出的震荡频率过高的问题，同时所提出的丢包算法并没有考虑丢包的起始时刻的选择问题，也没有考虑丢包数量与波浪周期的关系问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现对自然能驱动无人艇航速的有效控制，同时能够解决自然能驱动无人艇推进机构震荡剧烈问题的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)根据自然能驱动无人艇期望航速与实际航速的偏差设定控制输入数据丢包的起始时刻t0，根据波浪周期T0决定每次丢包所包含的控制输入数据的数量n的上限,n＝1,2,3...；
(2)当kiT≤t＜ki+1T时，令v(t)＝v(kiT)，kiT、ki+1T分别为每次丢包的起始时刻以及结束时刻,i＝1,2,3…，T为采样周期；
(3)将自然能驱动无人艇的期望航速v*(k)与当前实际航速v(t)相减得到误差e(kiT)，控制算法根据e(kiT)求解控制输出F(t)；当e(kiT)的绝对值|e(kiT)|小于设定的偏差阈值e0时执行步骤(4)否则执行(5)，e0为正常量；
(4)当螺旋桨的震荡频率f小于不丢包时螺旋桨的震荡频率f1则认为设计的丢包策略有效并跳出循环，否则令n＝n+1；
(5)比例-积分-微分控制算法根据e(kiT)解算出控制输出指令F(t)；
(6)推进机构接收并执行控制输出指令F(t)，更新自然能驱动无人艇航速v(t)，并转到步骤(2)。
本发明还可以包括：
1.取e0＝0.1。
2.控制输出F(t)为：
本发明提供了一种自然能驱动无人艇的运动控制方法，本发明中的自然能驱动无人艇是指利用风能、太阳能以及波浪能等自然能提供动力的无人艇。
本发明的自然能驱动无人艇用螺旋桨减震的航速控制算法，通过提出一种主动丢弃控制输入数据包的方式以及判断丢包算法是否有效的判断准则，解决在外界环境干扰下对自然能驱动无人艇进行航速控制时螺旋桨存在严重震荡的问题。
本发明的主要特点包括：
(1)根据自然能驱动无人艇期望航速与实际航速的偏差设定控制输入数据丢包的起始时刻t0，本发明中取t0为自然能驱动无人艇期望航速与实际航速的偏差第一次小于设定的航速偏差阈值e0时的时刻。根据波浪周期T0决定每次丢包所包含的控制输入数据的数量n的上限2T0，其中n＝1,2,3,...且n×T＜2T0,T为采样周期。
(2)丢包算法是否有效的判定准则为：在该丢包算法作用下，当自然能驱动无人艇的期望航速v*(k)与实际航速v(t)的偏差小于设定的航速偏差阈值e0(e0为较小的正常量,本发明中取e0＝0.1)，并且推进机构的震荡频率f小于不丢包时的震荡频率f1则认为设计的丢包策略有效。
本发明提出了一种通过主动丢弃控制输入数据包的方法，以及判断丢包算法是否有效的判断准则。不仅实现了对自然能驱动无人艇航速的有效控制，同时解决了自然能驱动无人艇推进机构震荡剧烈的问题。
附图说明
图1是本发明的航向系统整体框图；
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
图1表述了本发明的自然能驱动无人艇航速系统模型，向自然能驱动无人艇下达期望航速指令即v*(t)，利用惯导或GPS测得自然能驱动无人艇当前的实际航速v(t)，计算航速误差绝对值e(t)，作为带有数据丢包的比例-积分-微分(PID)控制器的输入，并由控制器解算出期望输出指令F(t)，螺旋桨接收并执行期望输出指令，从而改变自然能驱动无人艇航速。重复上述过程直到自然能驱动无人艇实际航速稳定收敛到期望航速。
结合图2，本发明的具体实现步骤如下：
(1)根据自然能驱动无人艇期望航速与实际航速的偏差设定控制输入数据丢包的起始时刻t0，当航速偏差的绝对值第一次小于设定的航速偏差的阈值时开始丢包。根据波浪周期T0决定每次丢包所包含的控制输入数据的数量n的上限本发明中取丢包的上限为2T0,n＝1,2,3...，n的初始值为1。
(2)当kiT≤t＜ki+1T时，令v(t)＝v(kiT)，即被丢弃的数据用上一采样时刻测得控制输入数据代替。kiT、ki+1T分别为每次丢包的起始时刻以及结束时刻,i＝1,2,3…，T为采样周期。
(3)将自然能驱动无人艇的期望航速v*(k)与当前实际航速v(t)相减得到误差e(kiT)，当e(kiT)的绝对值|e(kiT)|小于设定的航速偏差阈值e0(e0为较小的正常量,本发明中取e0＝0.05)时执行步骤(4)否则执行(5)。
(4)当螺旋桨的震荡频率f小于不丢包时螺旋桨的震荡频率f1则认为设计的丢包策略有效并跳出循环，否则令n＝n+1。
(5)控制算法(本发明以比例-积分-微分控制算法为例进行说明)根据航速偏差e(kiT)解算出控制输出指令即螺旋桨推力F(t)。
(6)推进机构接收并执行控制输出指令F(t)，更新自然能驱动无人艇航速v(t)，并转到步骤(2)。

Claims (9)

1.一种自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：
(1)根据自然能驱动无人艇期望航速与实际航速的偏差设定控制输入数据丢包的起始时刻t0，根据波浪周期T0决定每次丢包所包含的控制输入数据的数量n的上限,n＝1,2,3...；
(2)当kiT≤t＜ki+1T时，令v(t)＝v(kiT)，kiT、ki+1T分别为每次丢包的起始时刻以及结束时刻,i＝1,2,3…，T为采样周期；
(3)将自然能驱动无人艇的期望航速v*(k)与当前实际航速v(t)相减得到误差e(kiT)，控制算法根据e(kiT)求解控制输出F(t)，当e(kiT)的绝对值|e(kiT)|小于设定的偏差阈值e0时执行步骤(4)否则执行(5)，e0为正常量；
(4)当螺旋桨的震荡频率f小于不丢包时螺旋桨的震荡频率f1则跳出循环，否则令n＝n+1；
(5)比例-积分-微分控制算法根据e(kiT)解算出控制输出指令F(t)；
(6)推进机构接收并执行控制输出指令F(t)，更新自然能驱动无人艇航速v(t)，并转到步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：取e0＝0.1。
3.根据权利要求1或2所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：自然能驱动无人艇的实际航速由惯导或GPS测得。
4.根据权利要求1或2所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是控制输出F(t)为：
5.根据权利要求3所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是控制输出F(t)为：
6.根据权利要求1或2所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：数量n的上限取丢包的上限为2T0,n的初始值为1。
7.根据权利要求3所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：数量n的上限取丢包的上限为2T0,n的初始值为1。
8.根据权利要求4所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：数量n的上限取丢包的上限为2T0,n的初始值为1。
9.根据权利要求5所述的自然能驱动无人艇用面向螺旋桨减震的航速控制方法，其特征是：数量n的上限取丢包的上限为2T0,n的初始值为1。
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