CN111338337A - 一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，步骤包括：获取浮标的位置信息；通过对比所述位置信息与规划航线信息，计算出航迹偏差值并生成用于消除所述航迹偏差值的航向指令；所述航向指令包括命令航向、以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度；获取浮标的实际航向及实际运行速度；根据实际航向与命令航向、实际运行速度与设定速度，利用PID算法计算出控制量；根据所述控制量，驱动浮标移动到规划航线的规定位置。本发明提供了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，能够提高自整定控制的校正性能，提高控制精度，使得海洋浮标能迅速修正航迹偏差，实现准确定位。
Description
技术领域
本发明涉及电子信息、定位浮标技术领域，尤其是涉及一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备。
背景技术
传统浮标包括目视浮标、无线电浮标、音响浮标等，是浮标的基础部分，提供船舶安全航行的不可或缺的助航信息。现代浮标，是集信息化技术和浮标技术于一身的“数据浮标”或“信息化浮标”。在传统浮标基础上添加电子信息数据或独立于浮标标识以外的独立信息源，使浮标具有除浮标标识以外的导助航信息。通过数据采集、编码和广播通信或网络传输，电子化浮标向船舶提供更多助航信息。同时，船舶航行监管机构通过现代浮标获得如浮标的位置、状态、实时气象、海洋动态等信息，实现安全航行的远程干预，提高交通组织和海上搜救的效率。
但是，现有信息化浮标仍未能满足航海者对于优质服务的需求。传统的用于信息化浮标的控制方法的控制精度低，而且抗干扰能力差，受外部环境影响较大，一旦遇到恶劣天气，可能会引起浮标不能及时进行相关信息的传送，或者因未能及时调整浮标定位而偏离航道，降低浮标的助航作用。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，能够提高自整定控制的校正性能，提高控制精度，使得海洋浮标能迅速修正航迹偏差，实现准确定位。本发明技术方案如下：
本发明实施例提供了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，步骤包括：
获取浮标的位置信息；
通过对比所述位置信息与规划航线信息，计算出航迹偏差值并生成用于消除所述航迹偏差值的航向指令；所述航向指令包括命令航向、以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度；
获取浮标的实际航向及实际运行速度；
根据实际航向与命令航向、实际运行速度与设定速度，利用PID算法计算出控制量；
根据所述控制量，驱动浮标移动到规划航线的规定位置。
作为优选方案，所述以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度，具体为：
分别设定控制偏差、误差变化率、设定速度的基本论域；
在各自的基本论域的基础上，分别构建控制偏差、误差变化率、设定速度的模糊子集，并对应各自的模糊子集确定隶属度函数；其中，所述控制偏差的模糊子集包括代表零、正小、正大的语言值，所述误差变化率和所述设定速度的模糊子集均包括代表负、零、正的语言值；所述隶属度函数根据论域覆盖程度、灵敏度和稳定度确定；
利用模糊决策分析方法，根据模糊子集和隶属度函数，执行模糊矩阵运算得到作为输出值的设定速度。
作为优选方案，所述利用PID算法计算出控制量，具体为：
根据航向控制方程生成偏差修正信号；所述航向控制方程为：
上式中，ψe为期望航向与实际航向的航迹偏差值，比例系数Kp、积分系数KI和微分系数KD为控制器参数，δr为控制量；
以模糊算法计算所得的输出值为输入时，可得到航向控制方程：
上式中，v(t)为浮标在t时刻的运动速度，u1(t)为模糊算法计算所得的设定速度，u2(t)为控制速度。
作为优选方案，所述驱动浮标移动到规划航线的规定位置，具体为：
通过控制无刷直流电机驱动浮标移动到规划航线的规定位置；其中，无刷直流电机的控制方程为：
式中，n为无刷直流电机的转速，Ud为两相导通绕组的端电压，Id为定子电枢电流，RΣ为定子电枢回路总绕组，ΔU为功率管电压降，Ce为无刷直流电机内部电动势常数，φ为无刷直流电机磁通量。
作为优选方案，在获得浮标的运动速度时，还需对浮标进行受力分析：
计算浮标所受总阻力如下：
R＝Rf+RD
上式中，R为总阻力，Rf为浮标所受摩擦阻力，RD为浮标所受粘滞阻力；
浮标所受摩擦阻力：
浮标所受粘滞阻力：
其中，Cf为摩擦阻力系数，Af为浮标湿面积，u为浮标的运动速度，CD为粘滞阻力系数，ρ(h)为浮标下潜深度。
作为优选方案，所述获取浮标的位置信息，具体为：
通过卫星获取浮标的位置信息同时将采集到的水情数据发送至地面的水情数据接收中心站。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例提供了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法。
此外，本发明实施例提供了一种基于模糊算法的全向定位浮标控制系统，包括浮标、助航信息服务器以及船载助航信息接收设备；
所述浮标包括无线通信单元、传感器单元、用于驱动所述浮标的全向性动力执行单元以及用于执行如权利要求1至6任一项所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的控制单元；所述控制单元分别与所述通信单元、所述传感器单元、所述全向性动力执行单元电连接；
通过由AISVHF无线通讯网、GSM/GPRS移动通信网和互联网构成的系统网络，所述助航信息服务器分别与所述浮标、所述船载助航信息接收设备连接。
作为优选方案，所述助航信息服务器，由数据库服务器、应用服务器、网络服务器及管理用户浏览器组成；
所述数据库服务器，用于处理及操作包括海图、AIS船舶及航标的数据；
所述应用服务器，用于提供包括海图、助航信息查询的服务给网络服务器调用；
所述网络服务器，用于处理管理用户的请求后转发给应用服务器，同时把应用服务器返回的结果转换成Web网页发送到管理用户浏览器；
所述管理用户浏览器，用于将用户请求通过HTTP协议发送至网络服务器，同时接收最终的处理结果并显示。
作为优选方案，所述全向性动力执行单元由四个万向推进装置组成，四个万向推进装置的位置相互垂直。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明提供一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，通过获取浮标的当前地理位置，并计算出修正偏离位置所需的控制量；根据所述控制量，控制浮标的运动方向及运行速度，使浮标向消除航迹偏差的方向航行从而实现航迹跟踪控制。而且，本发明基于模糊算法的全向定位浮标控制方法兼具模糊算法及PID算法的优点，在PID初值的基础上，利用模糊算法计算出设定速度，从而增加修正参数进行整定，改善系统动、静态性能，克服PID参数无法适应参数变化的缺点，同时结合PID算法的线性叠加原理给控制带来极大方便的优点，从而提高对于方位角度、速度的控制精度，而且算法更简单、计算量更小。实践证明，本发明提供的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，能够克服二次调节系统的非线性和时变性，使得二次元件输出动态响应性能大大改善，显示出良好校正性能，有利于海洋浮标迅速修正航迹偏差，实现准确定位。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的流程图；
图2是本发明实施例中的一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的模糊算法运算方法的流程图；
图3是本发明实施例中的一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的方位控制方法原理图；
图4是本发明实施例中的一种基于模糊算法的全向定位浮标控制系统的数据传输过程示意图；
图5是本发明实施例中的一种运行所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的浮标；
图6是本发明实施例中的一种运行所述基于模糊算法的全向定位浮标控制系统的浮标内部功能模块连接关系示意图；
图7是本发明实施例中的一种运行所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的浮标通信方式的流程示意图；
图8是本发明实施例中的一种基于模糊算法的全向定位浮标控制系统的具体应用的模块示意图；
其中，1、全向性动力执行单元；2、太阳能发电板；3、惯性测量模块；4、蓄电池；5、无线通信单元；6、传感器单元；7、数字罗盘模块；8、GPS/北斗通讯模块；9、天线；10、控制单元。
具体实施方式
下面将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作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。
浮标是保障海上船舶安全航行的重要设施，为海上船舶在夜间或雾天、阴天等恶劣条件下提供可视信号，为海上船舶安全导航。通常由浮体、塔架、锚泊系统、导航设备和动力系统组成。浮标多为大型浮标，浮体直径一般大于10m，布置于航道的两侧，当能见度低于某一设定值时，航标灯将以某一个相同的闪烁频率同步导航。浮标塔架上还可以加载测量仪器，以搜集海洋水文气象数据资料。浮标的主要用途是为船舶安全航行导航，船舶碰撞、台风过境都会造成的其位置偏移，为船舶安全航行造成威胁。
本发明提供一种现代化信息浮标，该浮标能够实现一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，使该浮标能够迅速从偏移位置返回到正确航道位置。
请参见图1，所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，步骤包括：
S101、获取浮标的位置信息；
S102、通过对比所述位置信息与规划航线信息，计算出航迹偏差值并生成用于消除所述航迹偏差值的航向指令；所述航向指令，包括命令航向、以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度；
S103、获取浮标的实际航向及实际运行速度；
S104、根据实际航向与命令航向、实际运行速度与设定速度，利用PID算法计算出控制量；
S105、根据所述控制量，驱动浮标移动到规划航线的规定位置。
请参见图2，利用模糊算法计算设定速度的步骤包括：
计算控制变量包括控制偏差、误差变化率；
模糊显化处理；
设定模糊控制规则；
执行模糊决策分析；
解模糊化，得到设定速度。
具体地，所述以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度，具体为：
分别设定控制偏差、误差变化率、设定速度的基本论域；
在各自的基本论域的基础上，分别构建控制偏差、误差变化率、设定速度的模糊子集，并对应各自的模糊子集确定隶属度函数；其中，所述控制偏差的模糊子集包括代表零、正小、正大的语言值，所述误差变化率和所述设定速度的模糊子集均包括代表负、零、正的语言值；所述隶属度函数根据论域覆盖程度、灵敏度和稳定度确定；
利用模糊决策分析方法，根据模糊子集和隶属度函数，执行模糊矩阵运算得到作为输出值的设定速度。
可以理解的是，所述模糊决策分析方法包括模糊综合评价法、多目标模糊综合评价决策法、多层次模糊综合评价模型的数学方法、模糊多属性决策方法。
在本实施例中，采用二维模糊控制器，以控制偏差e1(t)及误差变化率c1(t)作为系统的输入，以设定速度作为模糊控制器的输出u1(t)。
控制器在接近目标20m时开始工作，因此设控制偏差e1(t)的基本论域为[0，20].设偏差变化率c1(t)的基本论域为[－0.12，0.06].设输出变量u1(t)的基本论域为[－0.55，0.55].e1(t)的模糊子集A使用3个语言值{Z，PS，PB}分别代表{零，正小，正大}，c1(t)的模糊子集B与u1(t)的模糊子集U使用{N，Z，P}分别代表{负，零，正}。
控制偏差的模糊子集拐点参数为：
[-10,0,10][0,10,20][10,20,30]；
误差变化值的模糊子集拐点参数为：
[-0.21,-0.12,-0.03][-0.12,-0.03,0.06][-0.03,0.06,0.15]
设定速度的模糊子集拐点参数为：
[-1.1,-0.550][-0.55,0,0.55][0,0.55,1.1]
可以理解的是，PID控制器都要求精确的数学模型，在数学模型不精确的情况下，将降低控制性能。针对这种情况，本发明实施例提出了结合模糊控制的模糊PID解决方法。本实施例将人们的手动控制经验用语言值加以描述，构成一系列条件语句，即控制规则，再利用模糊理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理，将模糊的控制规则上升为数值运算，让计算机运用程序来实现这些控制规则，这样就可利用计算机模拟人进行自动控制被控对象，因此，当被控对象参数变化时，可通过调整控制器相应参数进行校正，兼顾系统的动态性能和静态性能之间、设定值和抑制扰动之间的矛盾，改善系统动、静态性能，从而使控制系统有效应对复杂多变、干扰众多的海上环境。
请参见图3，所述利用PID算法计算出控制量，具体为：
根据航向控制方程生成偏差修正信号；所述航向控制方程为：
上式中，ψe为期望航向与实际航向的航迹偏差值，比例系数Kp、积分系数KI和微分系数KD为控制器参数，δr为控制量；
以模糊算法计算所得的输出值为输入时，可得到航向控制方程：
上式中，v(t)为浮标在t时刻的运动速度，u1(t)为模糊算法计算所得的设定速度，u2(t)为控制速度。
所述航向控制方程进一步求解可得：
在本实施例中，模糊控制器的输出量与内环反馈量的偏差作为PID控制器的输入量.考虑比例单元P、积分单元I和微分单元D的参数对系统控制过程的影响趋势，设定PID参数，纠正系统响应，执行调节控制，本发明取kP＝65.0，kI＝9.2，kD＝1，w＝1。
可以理解的是，在本实施例中，偏差ψe一旦产生,Kpψe立即产生，生成比例的航向偏差舵角控制信号，使浮标向减小航向偏差的方向行驶。积分环节能够增强浮标航迹控制的无差度，微分环节能够对浮标航向变化进行个早期的预测，在控制系统中加入一个早期的位移修正信号，当航向偏差突变时可以迅速控制，增加系统的响应速度，缩短调节时间，从而提高控制效果。
所述驱动浮标移动到规划航线的规定位置，具体为：
通过控制无刷直流电机驱动浮标移动到规划航线的规定位置；其中，无刷直流电机的控制方程为：
式中，n为无刷直流电机的转速，Ud为两相导通绕组的端电压，Id为定子电枢电流，RΣ为定子电枢回路总绕组，ΔU为功率管电压降，Ce为无刷直流电机内部电动势常数，φ为无刷直流电机磁通量。
无刷直流电机的控制方程由以下方程式变化所得：
Ud＝F+IdR∑+2ΔU
E＝Ceφn
MT＝CTφId
E为无刷直流电机反电动势，MT为电机输出转矩，CT为无刷直流电机内部转矩常数。
在本实施例中，速度控制系统内环为电流调节环，外环为速度调节环。电流调节环采用PI调节器，当电机启动时，电流调节环的限幅作用决定电机的最大电流，能避免过大电流对电机造成损害。PI调节器的响应速度非常快，因此对电压波动有很好的抑制效果，实现快速响应，当负载有变化时，电流便跟随给定电压变化；速度调节环在稳定运行时，使得转速跟随给定电压变化，实现速度无静差调节，对负载的变化具有抗扰作用。另外，外环的限幅作用可以实现恒流调节。
在获得浮标的运动速度时，还需对浮标进行受力分析：
计算浮标所受总阻力如下：
R＝Rf+RD
上式中，R为总阻力，Rf为浮标所受摩擦阻力，RD为浮标所受粘滞阻力；
浮标所受摩擦阻力：
浮标所受粘滞阻力：
其中，Cf为摩擦阻力系数，Af为浮标湿面积，u为浮标的运动速度，CD为粘滞阻力系数，ρ(h)为浮标下潜深度。
所述摩擦阻力系数仅与雷诺系数Re有关，其计算公式为
需要说明的是，本实施例对智能浮标的运动过程进行分析时，设定:
(1)以垂直海平面垂直向下为正方向；
(2)只考虑浮标垂直方向的运动；
(3)忽略海流对浮标垂向运动的影响；
(4)浮标自身大小相对于浮标运动可以忽略不计。
本实施例通过分析浮标的受力情况，根据受力情况计算出更符合浮标实际运动情况的运动速度，有利于提高对浮标的监控能力。
所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，在获取浮标的位置信息，同时还包括步骤：
通过卫星将采集到的水情数据发送至地面的水情数据接收中心站。
所述的水情数据接收中心站由岸站计算机、北斗卫星接收模块、信息数据储存系统等设备组成，完成浮标传输数据的接收、处理和存储。
在本实施例中，浮标采集水情数据后，首先将数据传送至北斗卫星，再由卫星转发至北斗地面网管中心，由地面网管中心对数据包进行解码，识别出目的地址，并进行计费操作，然后重新组包，再将数据发至卫星上，由卫星发送给水情数据接收中心站。在通信发起端的北斗数据报文中，必须包含报文接收方的目的地址，只有与这个目的地址一致的北斗卫星终端才能接收到此报文，这就是北斗卫星数据通信的点对点方式，通信的两端都配备北斗卫星终端。
本发明还提供一种基于模糊算法的全向定位浮标控制设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法。
请参见图4、图5和图6，本发明提供一种基于模糊算法的全向定位浮标控制系统，包括浮标、助航信息服务器以及船载助航信息接收设备；
所述浮标包括无线通信单元5、传感器单元6、用于驱动所述浮标的全向性动力执行单元1以及用于执行上述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的控制单元10；所述控制单元10分别与所述通信单元、所述传感器单元6、所述全向性动力执行单元1电连接；
通过由AISVHF无线通讯网、GSM/GPRS移动通信网和互联网构成的系统网络，所述助航信息服务器分别与所述浮标、所述船载助航信息接收设备连接。
请参见图7，可以理解的是，数据通信链路和北斗短报文(基于北斗三代的传输链路)构成通信手段。数据通信链路由浮标端和岸端的数据报文无线通信终端建立，负责浮标与岸的主要控制命令、航行状态信息和应答信号的无线传输。北斗短报文是工作在数据通信链路无法通信的远洋海域，通过北斗短报文的传输方式可实现了对全球海域的通信覆盖，数据通信链路和北斗短报文共同构建了浮标与岸通信的主要通道，全向定位浮标制造的方式并不需要重新设计，通过现有浮标的基础上改造即可。
在本实施例中，所述浮标由浮体、标架、供电设备、防护设备构成；所述的标架采用不锈钢材质，上面安装气象传感器、警示灯、GPS定位仪、雷达反射器等；
所述供电设备包括太阳能发电板2、蓄电池4、保护电路等；所述的供电设备采用太阳能电池和蓄电池4组合供电，配置2块MSX20R型海洋级超强太阳能电池板，选用100AH/20HRLCX1265CH型高性能蓄电池4；
所述传感器单元6包括惯性测量模块3、数字罗盘模块7等；所述传感器单元6还包括水文气象传感器，可监测风速、风向、气压、气温、流速、流向、水温等参数；以及水质传感器、营养盐传感器，可监测水温、PH、盐度、溶解氧、营养盐(磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐)、氨氮等参数，还可以加测浊度、叶绿素和蓝绿藻等参数。
所述通信单元包括GPS/北斗通讯模块8、天线9等；
所述的全向性动力执行单元1由四个万向推进装置组成，四个万向推进装置的位置相互垂直；
所述的防护设备在标架上安装警示灯和雷达反射器，同时在浮体最大直径外围及标架周边设置防撞橡胶圈。为了实时掌握浮标锚泊位置，浮标上还装有北斗卫星定位系统，浮标一旦发生漂移或丢失，可及时到现场修正或按移动轨迹找寻。
浮标采用全锚链单点系泊，锚锭为水泥沉块或钢锭，以钢丝绳或有档铸钢锚链与浮标相连。海况恶劣的海域，风浪大，除了增加锚重外，选用弹性锚链系留，以缓冲风浪的冲击力，确保锚泊系统位于预定区域。
所述助航信息服务器，由数据库服务器、应用服务器、网络服务器及管理用户浏览器组成。
所述数据库服务器，负责海图、AIS船舶及航标等数据的处理及操作；
所述应用服务器，提供海图、助航信息查询等服务给网络服务器调用，并响应网络服务器的服务请求，通过数据库服务器提供的服务对数据进行处理；
所述网络服务器，专门处理并响应HTTP请求，它把管理用户的请求处理后转发给应用服务器，同时把应用服务器返回的结果转换成Web网页发送到管理用户浏览器；
所述管理用户浏览器(如IE或其他浏览器)，为用户服务提供一个可视化的界面，将用户请求通过HTTP协议发送至网络服务器，同时接收最终的处理结果并显示。
请参见图8，WEB－ECDIS助航信息平台基于所述助航信息服务器运行，该平台在网络电子海图基础上显示AIS船舶及航标等助航信息，同时助航管理部门可利用该平台通过AIS基站播发AIS航标安全信息及航标动态信息。以WEB－ECDIS助航信息平台为基础，整合航标遥测数据、AIS船舶数据，根据管理部门需要，通过AIS向海区船舶发布航标动态信息及安全相关信息以保证船舶航行安全。主要提供与航标相关的助航信息服务，主要功能有:1)航标监测；2)航标数据查询；3)AIS船舶动态信息查询；4)航标动态信息发布；5)安全助航信息播发。
所述系统网络由AISVHF无线通讯网、GSM/GPRS移动通信网和互联网构成。AISVHF无线通讯网符合国际电信联盟(ITU)关于AIS通信标准的要求，通信机制采用自组织码分多址技术(SOTDMA)；利用GSM/GPRS移动通信网，传输基于全球移动通信系统(GSM)的航标遥测终端单元(RTU)所采集的航标动态数据信息；互联网采用标准的TCP/IP协议，助航信息平台发布采用RMI和IDL机制，即实现JAVA环境下的分布式信息发布。
航标管理部门可在WEB－ECDIS助航信息平台上，整合航标监测数据、AIS船舶数据，利用AIS电文6、8、12、14、21进行航标助航信息的发布。电文6为寻址二进制电文，管理部门可根据区域主管当局的相关规定向指定的用户播发航标助航信息。电文8为二进制广播电文，当航标上安装有测量气象水文资料的传感器时，这些航标可以按IMOSN/Circ.236的规定，用二进制广播电文8组织和播发航标附近区域的气象水文信息，同时也可播发航行警告信息。电文12/14是寻址/广播安全相关电文，提供与安全相关的文本信息。当航标移位或故障，播发电文21的同时，也能播发主管当局确认的安全相关的文本信息。电文21为航标专用电文，其主要内容包括:航标类型、航标名称、航标位置、位置精度指示、定位设备类型、航标移位指示、航标尺度及基准位置、真实与虚拟航标标志、航标系统状态。利用电文21可以进行虚拟航标、仿真航标信息的发布。
AIS－RTU采集航标的当前经纬度、速度和工作状态参数(如充电电压、电流，工作电压、电流，灯泡个数，闪光灯质等)；AISVHF通信链路完成AIS－RTU和监控中心的通讯工作。AIS－RTU可以用电文6(寻址二进制电文)向航标监控中心发送航标状态报告，在终端工作正常情况下，按照设定的时间间隔定时发送数据；当出现航标状态变化、航标设备工作异常、漂移时，向监控中心发送报警数据。
AIS船舶监控系统采用AIS、WEB－ECDIS、数据库技术对所有装有AIS设备的船舶进行高效、实时、全天候的监控。系统通过AIS基站网络接收周围船载AIS设备播发的动态及静态AIS电文，经过进一步的解析处理后，在WEB－ECDIS助航信息平台上显示，同时可通过船舶显示、信息查询等功能，实现对船舶的监控及查询。
本发明提供一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，所述基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，通过获取浮标的当前地理位置，并计算出修正偏离位置所需的控制量；根据所述控制量，控制浮标的运动方向及运行速度，使浮标向消除航迹偏差的方向航行从而实现航迹跟踪控制。而且，本发明基于模糊算法的全向定位浮标控制方法兼具模糊算法及PID算法的优点，在PID初值的基础上，利用模糊算法计算出设定速度，从而增加修正参数进行整定，改善系统动、静态性能，克服PID参数无法适应参数变化的缺点，同时结合PID算法的线性叠加原理给控制带来极大方便的优点，从而提高对于方位角度、速度的控制精度，而且算法更简单、计算量更小。实践证明，本发明提供的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法、系统及设备，能够克服二次调节系统的非线性和时变性，使得二次元件输出动态响应性能大大改善，显示出良好校正性能，有利于海洋浮标迅速修正航迹偏差，实现准确定位。
本发明不仅可用于助航，还可用于船舶测定位置和向船舶提供危险报警。浮标搭载的各种传感器可以实时监测远洋海况、天气等情况，如温度、酸碱度、强风等级，波浪等级等，大大提高预报的准确性和保障船舶的出行安全。还可实时监测海底的地质活动和海面的变化，提前预报自然灾害，保障人们的生命财产安全。
全向性的动力系统极大提高浮标定位精度和增强抵抗风浪的能力，大幅度缩小浮标自动调整回归定位位置的时间。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，步骤包括：
获取浮标的位置信息；
通过对比所述位置信息与规划航线信息，计算出航迹偏差值并生成用于消除所述航迹偏差值的航向指令；所述航向指令包括命令航向、以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度；
获取浮标的实际航向及实际运行速度；
根据实际航向与命令航向、实际运行速度与设定速度，利用PID算法计算出控制量；
根据所述控制量，驱动浮标移动到规划航线的规定位置。
2.如权利要求1所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，所述以所述航迹偏差值为输入值并通过模糊算法计算所得的设定速度，具体为：
分别设定控制偏差、误差变化率、设定速度的基本论域；
在各自的基本论域的基础上，分别构建控制偏差、误差变化率、设定速度的模糊子集，并对应各自的模糊子集确定隶属度函数；其中，所述控制偏差的模糊子集包括代表零、正小、正大的语言值，所述误差变化率和所述设定速度的模糊子集均包括代表负、零、正的语言值；所述隶属度函数根据论域覆盖程度、灵敏度和稳定度确定；
利用模糊决策分析方法，根据模糊子集和隶属度函数，执行模糊矩阵运算得到作为输出值的设定速度。
3.如权利要求2所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，所述利用PID算法计算出控制量，具体为：
根据航向控制方程生成偏差修正信号；所述航向控制方程为：
上式中，ψe为期望航向与实际航向的航迹偏差值，比例系数Kp、积分系数KI和微分系数KD为控制器参数，δr为控制量；
以模糊算法计算所得的输出值为输入时，可得到航向控制方程：
上式中，v(t)为浮标在t时刻的运动速度，u1(t)为模糊算法计算所得的设定速度，u2(t)为控制速度。
4.如权利要求1所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，所述驱动浮标移动到规划航线的规定位置，具体为：
通过控制无刷直流电机驱动浮标移动到规划航线的规定位置；其中，无刷直流电机的控制方程为：
式中，n为无刷直流电机的转速，Ud为两相导通绕组的端电压，Id为定子电枢电流，RΣ为定子电枢回路总绕组，ΔU为功率管电压降，Ce为无刷直流电机内部电动势常数，φ为无刷直流电机磁通量。
5.如权利要求1所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，在获得浮标的运动速度时，还需对浮标进行受力分析：
计算浮标所受总阻力如下：
R＝Rf+RD
上式中，R为总阻力，Rf为浮标所受摩擦阻力，RD为浮标所受粘滞阻力；
浮标所受摩擦阻力：
浮标所受粘滞阻力：
其中，Cf为摩擦阻力系数，Af为浮标湿面积，u为浮标的运动速度，CD为粘滞阻力系数，ρ(h)为浮标下潜深度。
6.如权利要求1所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法，其特征在于，所述获取浮标的位置信息，具体为：
通过卫星获取浮标的位置信息同时将采集到的水情数据发送至地面的水情数据接收中心站。
7.一种基于模糊算法的全向定位浮标控制设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法。
8.一种基于模糊算法的全向定位浮标控制系统，其特征在于，包括浮标、助航信息服务器以及船载助航信息接收设备；
所述浮标包括无线通信单元、传感器单元、用于驱动所述浮标的全向性动力执行单元以及用于执行如权利要求1至6任一项所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制方法的控制单元；所述控制单元分别与所述通信单元、所述传感器单元、所述全向性动力执行单元电连接；
通过由AISVHF无线通讯网、GSM/GPRS移动通信网和互联网构成的系统网络，所述助航信息服务器分别与所述浮标、所述船载助航信息接收设备连接。
9.如权利要求8所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制系统，其特征在于，所述助航信息服务器，由数据库服务器、应用服务器、网络服务器及管理用户浏览器组成；
所述数据库服务器，用于处理及操作包括海图、AIS船舶及航标的数据；
所述应用服务器，用于提供包括海图、助航信息查询的服务给网络服务器调用；
所述网络服务器，用于处理管理用户的请求后转发给应用服务器，同时把应用服务器返回的结果转换成Web网页发送到管理用户浏览器；
所述管理用户浏览器，用于将用户请求通过HTTP协议发送至网络服务器，同时接收最终的处理结果并显示。
10.如权利要求8所述的基于模糊算法的全向定位浮标控制系统，其特征在于，所述全向性动力执行单元由四个万向推进装置组成，四个万向推进装置的位置相互垂直。
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