CN111208824B - 一种无人艇航行串级控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无人艇航行串级控制系统及其控制方法，该控制系统包括制导系统，串级控制系统和无人艇环境感知系统；无人艇环境感知系统感知航行信息并将该信息传输给制导系统和串级控制系统，无人艇环境感知系统包括导航传感器模块，距离感知模块和干扰感知模块；制导系统包括任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块和路径规划模块；串级控制系统包括主反馈回路和副反馈回路；制导系统与主反馈回路中的主控制器和无人艇轨迹反馈系统连接；副反馈回路在主反馈回路的内部，其中主控制器与副控制器和无人艇姿态反馈系统连接，副控制器与无人艇船体模型辨识系统连接。本发明可抑制外部环境的干扰，使无人挺高性能的航行。

Description

一种无人艇航行串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航行串级控制系统及其控制方法。该控制系统对于航行中强干扰有很强的抑制作用，能够实现无人艇高性能高精度跟踪期望轨迹的航行控制。

背景技术

无人艇是一种无需人员驾驶和操作，可以自主或者半自主航行和作业的艇，主要用于执行危险以及不适合有人船只执行的任务。现如今已经广泛地应用于军事和民用领域；在军事领域，无人艇通过搭载高精度的装备和军用火炮能够实现无人侦察和船只护航的任务；在民用领域主要用于海图探测，水样收集，应急救援等。

在海洋中执行任务的无人艇，由于受到风浪等外部环境的干扰，会产生横荡，纵荡和艏摇。上述干扰的存在对于无人艇高性能航行有很大的负面影响。外界的干扰不仅会降低无人艇上搭载的设备的工作效率同时还会对于无人艇的航迹产生影响，使之不能高精度的跟踪期望轨迹。因此为保证无人艇的高性能航行，需要对外界干扰作出抑制。

发明内容

本发明针对目前无人艇所面临的不可预测的外界强干扰问题，旨在提供一种无人艇航行串级控制系统及其控制方法。

为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种无人艇航行串级控制系统，包括制导系统，串级控制系统和无人艇环境感知系统；所述无人艇环境感知系统感知航行信息并将该信息传输给所述制导系统和串级控制系统，所述无人艇环境感知系统包括导航传感器模块，距离感知模块和干扰感知模块；所述制导系统包括任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块和路径规划模块；所述串级控制系统包括主反馈回路和副反馈回路；其中副反馈回路包括无人艇船体模型辨识系统，无人艇姿态反馈系统和副控制器，所述副控制器采用增量式PD控制器，主反馈回路包括主控制器，动力驱动系统，无人艇轨迹反馈系统，所述主控制器采用增量式PID控制器；

所述制导系统与主反馈回路中的主控制器和无人艇轨迹反馈系统连接；所述副反馈回路在主反馈回路的内部，其中所述主控制器与副控制器和无人艇姿态反馈系统连接，所述副控制器与无人艇船体模型辨识系统连接；所述无人艇环境感知系统与无人艇船体模型辨识系统和制导系统连接；所述制导系统通过无人艇环境感知系统提供的实时数据对无人艇的航迹进行规划，并且将规划航迹传输给所述主反馈回路。所述副反馈回路用于在复杂海况下抵制外界的强干扰；所述主反馈回路用来保证无人艇能够高精度的跟踪制导系统给出的期望轨迹。

根据上述无人艇串级控制系统，优选的，所述制导系统包括路径规划模块，任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块；所述路径规划模块与任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块连接。所述任务导航模块是根据具体任务要求对航迹进行规划的模块，并将任务要求传输给路径规划模块。所述反应式避障模块主要通过雷达获取障碍物的位置和速度等特征信息，并且将这些信息传输给路径规划模块。所述海事规则避障模块使无人艇遵守海事规则。所述路径规划模块接受任务导航模块，反应式避障模块和海事规则避障模块传输的数据，并结合视线法对已经生成的航迹进行实时的更新，并将更新都的航迹传输给主反馈回路。视线法（Line of sight）其原理是船的航向始终瞄着目标点，以此修正风流海流引起的偏差。

根据上述无人艇航行串级控制系统，优选地，所述副反馈回路包括副控制器，无人艇船体模型辨识系统和姿态反馈。副控制器采用增量式PD控制器，增量式PD控制器通过本次控制量和上一次控制量的差值进行PD控制的一种算法。无人艇船体模型辨识系统主要是通过无人艇环境感知模块中的传感器确定当前无人艇的航行姿态并且接受副控制器的控制指令调整无人艇的航行姿态。无人艇姿态反馈系统用于将无人艇当前的姿态传输给副控制器，使用副控制器产生合适的控制指令。当外界出现干扰时，副反馈回路通过接受无人艇环境感知系统传输的外界干扰信息，快速调节自身的航行姿态以达到消除外界干扰的目的。

根据上述无人艇航行串级控制系统，优选地，所述主反馈回路包括主控制器，副反馈回路，动力驱动系统，航迹反馈。主控制器采用增量式PID控制器，增量式PID控制器通过本次和上一次控制量的差值进行PID控制的一种算法。动力驱动系统按照控制器输出指令给无人艇提供动力输出，保证无人艇的正常航行。无人艇轨迹反馈系统将无人艇当前的航迹传输给制导系统，通过与期望轨迹作差得到误差项，将误差项（期望减去反馈是误差）传输给主控制器，主控制器发出控制指令消除误差，从而达到高精度跟踪期望航迹的目的。

根据上述无人艇航行串级控制系统，优选地，所述无人艇环境感知系统包括导航传感器模块，距离传感器模块和干扰感知模块。其中导航传感器模块包括GPS和惯性导航模块；距离传感器模块包括ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机；干扰感知模块包括多普勒海流传感器和风速传感器，无人艇通过这些传感器可以获得实时的风浪数据和无人艇姿态数据。其中无人艇所搭载的普勒海流传感器，风速传感器可以获得实时的风浪数据，无人艇船体模型辨识系统结合这些数据对无人艇的当前姿态进行调整；ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机，GPS和惯性导航模块用于获得无人艇纵向、横向和艏摇方向上的位置、角度和速度信息，无人艇将该数据传输至无人艇船体模型辨识系统，制导系统。无人艇环境感知系统通过360度光学相机，ka波段雷达和海事雷达对外界位置信息进行探测，360度光学相机对近距离的目标位置信息进行探测，海事雷达和ka波段雷达对远距离的目标位置信息进行探测，通过两种传感器的结合以达到对于海上目标位置因素进行高准确度的探测。

本发明还提出一种通过以上无人艇航行串级控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

1)所述多普勒海流传感器，风速传感器，海事雷达，ka波段雷达，360度光学相机分别获得海流状态数据，海风状态数据，远距离目标状态数据，中距离目标状态数据和近距离目标状态数据，并将所获得的信息传输给所述制导系统和无人艇船体模型辨识系统；

2)所述制导系统接受信息结合初始指令对路径进行规划，得到期望航迹数据，期望航迹数据与无人艇轨迹反馈系统传输的实际航迹作差得到误差航迹数据，并将误差航迹传输给所述主控制器；

3)所述主控制器根据误差航迹数据产生主姿态控制数据，主姿态控制数据（期望无人艇的航行姿态）与无人艇姿态反馈系统传输的实际姿态（姿态反馈）作差得到姿态误差数据，姿态误差数据传输给所述副控制器。

4)所述副控制器根据姿态误差数据产生副姿态控制数据，副姿态控制数据作用于无人艇船体模型辨识系统；

5)所述无人艇船体模型辨识系统通过接受副姿态控制数据和无人艇环境感知系统传输的海洋干扰数据和无人艇位置数据产生驱动数据传输给所述动力驱动系统，同时调整无人艇的航行姿态；

6）所述动力驱动系统接受驱动数据产生驱动力，使无人艇在海上干扰的作用下，保证无人艇能够按照期望轨迹高精度的航行。

与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：

1)本发明中通过主回路和副回路两个回路来对无人艇进行控制，其中副回路对于无人艇航行中所遇到的干扰有很强的抑制作用；对于海面上的各种强干扰信号，副回路能够在干扰对被控对象产生很大影响之前迅速克服干扰对于无人艇航行的影响；

2)无人艇在海上航行周围环境变化迅速，会存在各式各样的干扰，对于无人艇环境感知系统而言，想要完全的感知周围所有的干扰信息是现实的，相比于无人艇前馈控制系统而言，对于不可预测的干扰信号或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，无人艇前馈控制系统将不能发挥其应有的作用。而对于无人艇串级控制系统的而言，对于在无人艇副回路中的干扰信号，副回路就可以快速的克服干扰信号对于无人艇正常航行的影响；

3）无人艇串级控制系统除了对于进入副回路中的干扰有很强的抑制作用，对于无人艇的航行特性变化表现出显著的鲁棒性（在面对异常和危险情况下系统生存的能力，通俗的说就是是否耐操）。对于单回路的控制系统，当控制增益增大时，单回路控制系统的闭环响应非常灵敏，而对于串级控制系统的稳定性并没有发生显的变化。

附图说明

图1为本发明结构连接框图；

图2为本发明整体连接框图；

图3无人艇环境感知系统框图；

图4制导系统框图

图5为无人艇串级控制系统框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

如图1-5所示，本发明的一种无人艇航行串级控制系统，包括制导系统1，串级控制系统和无人艇环境感知系统2；无人艇环境感知系统2感知航行信息并将该信息传输给制导系统1和串级控制系统，无人艇环境感知系统包括导航传感器模块2-1，距离感知模块2-2和干扰感知模块2-3（感知海洋干扰信息3，包括海风、海浪、海流干扰等海事信息）；制导系统1包括任务导航模块1-1，反应式避障模块1-2，海事规则避障模块1-3和路径规划模块1-4；串级控制系统包括主反馈回路4和副反馈回路5；其中副反馈回路5包括无人艇船体模型辨识系统5-2，无人艇姿态反馈系统5-3和副控制器5-1，主反馈回路4包括主控制器4-1，动力驱动系统4-3，无人艇轨迹反馈系统4-2；

制导系统1与主反馈回路中的主控制器4-1和无人艇轨迹反馈系统4-2连接；副反馈回路5在主反馈回路4的内部，其中主控制器4-1与副控制器5-1和无人艇姿态反馈系统5-3连接，副控制器5-1与无人艇船体模型辨识系统5-2连接；无人艇环境感知系统2与无人艇船体模型辨识系统5-2和制导系统1连接；制导系统1通过无人艇环境感知系统2提供的实时数据对无人艇的航迹进行规划，并且将规划航迹传输给主反馈回路4，副反馈回路5用于在复杂海况下抵制外界的强干扰；主反馈回路4用来保证无人艇能够高精度的跟踪制导系统给出的期望轨迹。

其中，制导系统1包括路径规划模块1-4，任务导航模块1-1，反应式避障模块1-2，海事规则避障模块1-3；路径规划模块1-4与任务导航模块1-1，反应式避障模块1-2，海事规则避障模块1-3连接。任务导航模块1-1是根据具体任务要求对航迹进行规划的模块，并将任务要求传输给路径规划模块1-4。反应式避障模块1-2主要通过雷达获取障碍物的位置和速度等特征信息，并且将这些信息传输给路径规划模块。海事规则避障模块1-3使无人艇遵守海事规则。路径规划模块1-4接受任务导航模块，反应式避障模块1-2和海事规则避障模块1-3传输的数据，并结合视线法对已经生成的航迹进行实时的更新，并将更新都的航迹传输给主反馈回路。

其中，副反馈回路5包括副控制器5-1，无人艇船体模型辨识系统5-2和无人艇姿态反馈系统5-3。副控制器5-1采用增量式PD控制器，增量式PD控制器通过本次控制量和上一次控制量的差值进行PD控制的一种算法。无人艇船体模型辨识系统5-2主要是通过无人艇环境感知体统2中的传感器确定当前无人艇的航行姿态并且接受副控制器5-1的控制指令调整无人艇的航行姿态。无人艇姿态反馈系统5-3用于将无人艇当前的姿态传输给副控制器5-1，使用副控制器5-1产生合适的控制指令。当外界出现干扰时，副反馈回路5通过接受无人艇环境感知系统传输的外界干扰信息，快速调节自身的航行姿态以达到消除外界干扰的目的。

其中，主反馈回路4包括主控制器4-1，副反馈回路5，动力驱动系统4-3，无人艇轨迹反馈系统4-2。主控制器4-1采用增量式PID控制器，增量式PID控制器通过本次和上一次控制量的差值进行PID控制的一种算法。动力驱动系统4-3按照控制器输出指令给无人艇提供动力输出，保证无人艇的正常航行。无人艇轨迹反馈系统4-2将无人艇当前的航迹传输给制导系统，通过与期望轨迹作差得到误差项，将误差项传输给主控制器，主控制器4-1发出控制指令消除误差，从而达到高精度跟踪期望航迹的目的。

其中，无人艇环境感知系统2包括导航传感器模块2-1，距离传感器模块2-2和干扰感知模块2-3。其中导航传感器模块2-1包括GPS 2-11和惯性导航模块2-12；距离传感器模块2-2包括ka波段雷达2-21，海事雷达2-22，360度光学相机2-23；干扰感知模块2-3包括多普勒海流传感器2-31和风速传感器2-32，无人艇通过这些传感器可以获得实时的风浪数据和无人艇姿态数据。其中无人艇所搭载的普勒海流传感器，风速传感器可以获得实时的风浪数据，无人艇船体模型辨识系统5-2结合这些数据对无人艇的当前姿态进行调整；ka波段雷达2-21，海事雷达2-22，360度光学相机2-23，GPS2-11和惯性导航模块2-12用于获得无人艇纵向、横向和艏摇方向上的位置、角度和速度信息，无人艇将该数据传输至无人艇船体模型辨识系统5-2，制导系统1。无人艇环境感知系统2通过360度光学相机2-23，ka波段雷达2-21和海事雷达2-22对外界位置信息进行探测，360度光学相机2-23对近距离的目标位置信息进行探测，海事雷达2-22和ka波段雷达2-21对远距离的目标位置信息进行探测，通过两种传感器的结合以达到对于海上目标位置因素进行高准确度的探测。

本发明还提出的通过以上无人艇航行串级控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

1)多普勒海流传感器2-31，风速传感器2-32，海事雷达2-22，ka波段雷达2-21，360度光学相机2-23分别获得海流状态数据，海风状态数据，远距离目标状态数据，中距离目标状态数据和近距离目标状态数据，并将所获得的信息传输给制导系统1和无人艇船体模型辨识系统5-2；

2)制导系统1接受信息结合初始指令对路径进行规划，得到期望航迹数据，期望航迹数据与无人艇轨迹反馈系统4-2传输的实际航迹作差得到误差航迹数据，并将误差航迹传输给主控制器4-1；

3)主控制器4-1根据误差航迹数据产生主姿态控制数据，主姿态控制数据与无人艇姿态反馈系统传输的实际姿态作差得到姿态误差数据，姿态误差数据传输给副控制器。

4)副控制器5-1根据姿态误差数据产生副姿态控制数据，副姿态控制数据作用于无人艇船体模型辨识系统5-2；

5)无人艇船体模型辨识系统5-2通过接受副姿态控制数据和无人艇环境感知系统传输的海洋干扰数据和无人艇位置数据产生驱动数据传输给动力驱动系统4-3，同时调整无人艇的航行姿态；

6)动力驱动系统4-3接受驱动数据产生驱动力，使无人艇在海上干扰的作用下，保证无人艇能够按照期望轨迹高精度的航行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种无人艇航行串级控制系统，其特征在于，包括制导系统，串级控制系统和无人艇环境感知系统；所述无人艇环境感知系统感知航行信息并将该信息传输给所述制导系统和串级控制系统，所述无人艇环境感知系统包括导航传感器模块，距离感知模块和干扰感知模块；所述制导系统包括任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块和路径规划模块；所述串级控制系统包括主反馈回路和副反馈回路；其中副反馈回路包括无人艇船体模型辨识系统，无人艇姿态反馈系统和副控制器，主反馈回路包括主控制器，动力驱动系统，无人艇轨迹反馈系统，所述主控制器采用增量式PID控制器；

所述制导系统与主反馈回路中的主控制器和无人艇轨迹反馈系统连接；所述副反馈回路在主反馈回路的内部，其中所述主控制器与副控制器和无人艇姿态反馈系统连接，所述副控制器与无人艇船体模型辨识系统连接；所述无人艇环境感知系统与无人艇船体模型辨识系统和制导系统连接；所述制导系统通过无人艇环境感知系统提供的实时数据对无人艇的航迹进行规划，并且将规划航迹传输给所述主反馈回路；

所述制导系统中，所述任务导航模块，反应式避障模块，海事规则避障模块分别与所述路径规划模块连接；所述任务导航模块是根据具体任务要求对航迹进行规划的模块，并将任务要求传输给路径规划模块；所述反应式避障模块主要通过雷达获取障碍物的位置和速度特征信息，并且将这些信息传输给路径规划模块；所述海事规则避障模块使无人艇遵守海事规则；所述路径规划模块接受任务导航模块，反应式避障模块和海事规则避障模块传输的数据，并结合视线法对已经生成的航迹进行实时的更新，并将更新的航迹传输给所述主反馈回路；

所述副控制器采用增量式PD控制器，所述无人艇船体模型辨识系统主要是通过所述无人艇环境感知模块中的传感器确定当前无人艇的航行姿态并且接受所述副控制器的控制指令调整无人艇的航行姿态；所述无人艇姿态反馈系统用于将无人艇当前的姿态传输给所述副控制器，使副控制器产生合适的控制指令；当外界出现干扰时，所述副反馈回路通过接受无人艇环境感知系统传输的外界干扰信息，快速调节自身的航行姿态以达到消除外界干扰的目的。

2.根据权利要求1所述的无人艇航行串级控制系统，其特征在于，所述动力驱动系统按照主控制器输出指令给无人艇提供动力输出，保证无人艇的正常航行；无人艇轨迹反馈系统将无人艇当前的航迹传输给所述制导系统，通过与期望轨迹作差得到误差项，将误差项传输给所述主控制器，所述主控制器发出控制指令消除误差，从而达到高精度跟踪期望航迹的目的。

3.根据权利要求1所述的无人艇航行串级控制系统，其特征在于，所述导航传感器模块包括GPS和惯性导航模块；所述距离感知器模块包括ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机；所述干扰感知模块包括多普勒海流传感器和风速传感器；其中所述多普勒海流传感器，风速传感器可以获得实时的风浪数据，无人艇船体模型辨识系统结合这些数据对无人艇的当前姿态进行调整；所述ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机，GPS和惯性导航模块用于获得无人艇纵向、横向和艏摇方向上的位置、角度和速度信息，并将该些信息传输至无人艇船体模型辨识系统和制导系统；所述无人艇环境感知系统通过360度光学相机，ka波段雷达和海事雷达对外界位置信息进行探测，360度光学相机对近距离的目标位置信息进行探测，海事雷达和ka波段雷达对远距离的目标位置信息进行探测。

4.根据权利要求3所述的一种利用无人艇航行串级控制系统实现的控制方法，包括以下步骤：

1)所述多普勒海流传感器，风速传感器，海事雷达，ka波段雷达，360度光学相机分别获得海流状态数据，海风状态数据，远距离目标状态数据，中距离目标状态数据和近距离目标状态数据，并将所获得的信息传输给所述制导系统和无人艇船体模型辨识系统；

2)所述制导系统接受信息结合初始指令对路径进行规划，得到期望航迹数据，期望航迹数据与无人艇轨迹反馈系统传输的实际航迹作差得到误差航迹数据，并将误差航迹传输给所述主控制器；

3)所述主控制器根据误差航迹数据产生主姿态控制数据，主姿态控制数据与副反馈回路传输的实际姿态作差得到姿态误差数据，姿态误差数据传输给所述副控制器；

4)所述副控制器根据姿态误差数据产生副姿态控制数据，副姿态控制数据作用于无人艇船体模型辨识系统；

5)所述无人艇船体模型辨识系统通过接受副姿态控制数据和无人艇环境感知系统传输的海洋干扰数据和无人艇位置数据产生驱动数据传输给所述动力驱动系统，同时调整无人艇的航行姿态；

6)所述动力驱动系统接受驱动数据产生驱动力，使无人艇在海上干扰的作用下，保证无人艇能够按照期望轨迹高精度的航行。

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