CN111538340B - 一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法 - Google Patents

一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，通过对任务信息的解算，得到目标点位置、目标区域半径及期望航速，并获取风动力浮标艏向角及其在当前位置的表观风向角等多种状态信息。根据这些信息分别对风动力浮标的艏向、风帆转向及航速进行闭环控制，确保风动力浮标在行驶过程中始终能够获得目标方向上的最大速度，实现了风动力浮标在风动力下以不低于期望的航速向目标点的快速自主航行，减少了动力能源的消耗，比相同体积的无风帆动力浮标的工作时间更长。

Description

一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法
技术领域
本发明涉及一种动力浮标的控制方法，尤其涉及一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法。
背景技术
动力浮标是一种不需要锚泊定位的浮标，其具备水面机动能力，能够自主移动到目标点，通过携带的水声换能器来采集水下目标的声学信号并进行初步处理，再利用无线电将处理后的声学数据上传到监控中心，监控中心对收到数据进行后续处理，但这种动力浮标还存在能源消耗大、工作时间稍短的缺点。通过增加动力浮标携带蓄电池容量来提高其工作时间是一种最直接的方法，但在蓄电池现有技术条件下，增加蓄电池容量势必就要增加电池的体积和重量，进而增加动力浮标的体积和重量，这也就相应的增加了动力浮标的诸多不利因素。因此，申请号为201910980482.4的专利在原动力浮标的基础上加装风帆以及相应配件，将风能作为一种绿色动力能源，辅助动力浮标完成航行任务，在节约能源的同时延长动力浮标的工作时间。但该专利仅对改进的风动力浮标的结构进行了详细阐述，没有对其在风动力下自主航行的控制方法进行详细描述。本发明专利就是针对这种拥有风帆的动力浮标，对其在风动力下自主航行设计了详细的控制方法。
目前，在风帆助航技术领域，主要涉及到控制方式有航向控制、风帆转向控制、航速控制等。例如，在申请号为201310268596.9的专利中提出了一种风帆助航船舶的控制方法，对船舶航速进行了控制，使船舶航速在航行过程中始终保持稳定，但该专利并未对船舶在航行过程中的航向进行控制。文献《基于模糊PID的无人船航行姿态控制系统研究》中提出了一种航向和航速控制方法，维持航向稳定的同时防止帆船行驶超出目标位置，但由于加装了风帆的船舶在航行过程中受风浪影响较大，利用此种方法无法保证风帆船舶在航行过程中始终保持有目标方向上的最大速度，实现向目标点的快速行进。因此，本发明的方法在对带有风帆的动力浮标的航行速度进行实时控制的同时，还对其艏向及风帆转向进行控制，使得风动力浮标在航行过程中始终保持有目标方向的最大航速投影且不会较大地偏离期望航向，从而实现其向目标点以不低于期望航速要求的航速快速自主航行。
发明内容
本发明的目的是针对一种带有风帆的动力浮标(简称风动力浮标)如何在风动力下实现快速自主航行问题而提供的一种控制方法。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤1：风动力浮标搭载的天线单元接收目标守位点的位置D、目标工作区域半径R及期望航速Vq，初始时，调整舵机使风动力浮标艏向为出发点和目标守位点连线方向，开始依靠风动力航行；
步骤2：检测风动力浮标当前所在位置P0、10秒前所在位置P-1、20秒前所在位置P-2、30秒前所在位置P-3，当前位置风动力浮标艏向角
Figure BDA0002520456720000021
当前位置风帆的操帆角度γ；
步骤3：求取当前位置指向目标守位点的向量
Figure BDA0002520456720000022
并获取目标艏向角
Figure BDA0002520456720000023
判断风动力浮标是否进入工作区，若是则停止航行开始执行工作任务，否则继续执行步骤4；
步骤4：利用步骤2中得到的风动力浮标位置信息，估计风动力浮标的平均航行速度
Figure BDA0002520456720000024
步骤5：在可航行区域范围内先向右寻找风动力浮标的右侧最佳艏向，在当前风动力浮标艏向的基础上依次将艏向角增加5°，同时将航速
Figure BDA0002520456720000025
投影到向量
Figure BDA0002520456720000026
方向上，找到投影最大的位置对应的艏向角
Figure BDA0002520456720000027
步骤6：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，寻找其左侧最佳艏向，至艏向角增值大于360°时停止寻找，找到投影最大的位置对应的艏向角
Figure BDA0002520456720000028
步骤7：确定最佳艏向
Figure BDA0002520456720000029
并对风动力浮标艏向进行闭环调整；
Figure BDA00025204567200000210
步骤8：实时获取表观风向角θ，从而确定最佳操帆角度γgreat，并对操帆角度进行闭环调整，使风动力浮标始终能够获得最大的艏向推力；
Figure BDA00025204567200000211
步骤9：调整好风动力浮标艏向和风帆的操帆角度后，将当前风动力浮标的平均航速
Figure BDA00025204567200000212
与期望航速Vq进行比较，对主推进器的开闭进行判断，并对其推力分配进行设计，推力分配结束后返回步骤2。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤3中的判断方法是：
若
Figure BDA00025204567200000213
则停止航行开始执行工作任务；
若
Figure BDA0002520456720000031
则继续执行步骤4。
2.步骤4具体是：
解算位置信息得到位置P0的经度为ζ0，纬度为ξ0，位置P-1的经度为ζ1，纬度为ξ1，位置P-2的经度为ζ2，纬度为ξ2，位置P-3的经度为ζ3，纬度为ξ3，估计当前风动力浮标的平均航行速度
Figure BDA0002520456720000032
(节)，方法为：
Figure BDA0002520456720000033
Figure BDA0002520456720000034
Figure BDA0002520456720000035
Figure BDA0002520456720000036
3.步骤6具体是：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，转为向左寻找风动力浮标的左侧最佳艏向，至风动力浮标艏向增值大于360°时停止寻找，方法为将风动力浮标艏向角依次减少5°，同时将航速
Figure BDA00025204567200000313
投影到风动力浮标当前位置与目标位置的连线方向，即向量
Figure BDA00025204567200000312
方向上，找到航速投影最大的位置对应的艏向角
Figure BDA0002520456720000037
4.步骤9具体为：将当前风动力浮标的平均航速
Figure BDA0002520456720000038
与期望航速Vq进行比较，若
Figure BDA0002520456720000039
则关闭推进器；若
Figure BDA00025204567200000310
则打开推进器；推进器推力分配设计方法为：
首先，计算推进器转速控制器的输出n：
n＝kP(ev-ev-1)+kIev+kD(ev-2ev-1+ev-2)
其中，
Figure BDA00025204567200000311
为当前期望航速与平均航速的偏差，ev-1为前一次期望航速与平均航速的偏差，ev-2为再前一次期望航速与平均航速的偏差，kP、kI、kD为PID参数；
其次，对两个主推进器进行推力分配：
nl＝n,nr＝n
其中，nl为左侧主推进器转速，nr为右侧主推进器转速；
最后，推力分配结束后返回步骤2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：对风动力浮标向目标守位点的航行过程进行了控制，利用投影的方式找到最佳艏向后对风动力浮标艏向实时进行调整，确保风动力浮标始终保持有目标方向上的最大速度；在调整风动力浮标艏向的同时对风帆转向进行调整，确保其始终保持有最大的艏向推力；并且对推进器的使用进行了控制，在风动力浮标在航速满足期望航速要求时，依靠风动力向目标守位点快速自主航行，若风动力浮标航速未满足期望航速要求，则打开推进器辅助风动力浮标航行，提高风动力浮标航速，从而使风动力浮标航速满足期望航速要求。本发明确保了风动力浮标在航行过程中始终能够获得最大的目标方向航行速度且不会较大地偏离航向，减少了动力能源(蓄电池)消耗，比相同体积的无风帆动力浮标的工作时间更长。
附图说明
图1是带有风帆的动力浮标的结构示意图；
图2是本发明所提供的控制方法控制结构图；
图3是本发明所提到的风动力浮标风帆状态示意图；
图4是本发明所提供的控制方法控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明通过对任务信息的解算，获得目标守位点的具体位置信息及期望航速，利用风动力浮标上安装的风向风速仪获取风动力浮标当前的风向、风速等信息，从而获取计算所需表观风向角等信息，利用风动力浮标上安装的姿态与定位密封舱中的传感器获取姿态、位置等信息，根据获取的这些信息调整风动力浮标艏向，同时调整风帆使其始终处于最佳操帆角处，从而实现风动力浮标在风动力辅助下，以不低于期望航速的航行速度向目标守位点的快速航行。
具体要获取的信息如下：
首先，对由天线单元接收到的信息进行解算，获取目标点的位置D、目标工作区域半径R及期望航速Vq，利用姿态及定位密封舱中的传感器获取风动力浮标当前位置P0、10秒前所在位置P-1，20秒前所在位置P-2、30秒前所在位置P-3、当前艏向角
Figure BDA0002520456720000041
当前位置风帆的操帆角γ(即帆向与艏向的夹角，如图3所示)，利用风向风速仪检测当前风向，从而获取当前的表观风向角θ(即表观风向与艏向的夹角，如图3所示)。
下面结合附图对本发明所应用的风动力浮标的结构做详细的描述：
图1为带有风帆的动力浮标的结构图。图1中的装置包括：风动力浮标主体；1北斗复合天线；2无线电天线；3警示灯；4天线支架；5天线杆；6风帆；7风帆转动轴；8风帆转动机构；9风向风速仪；10姿态与定位密封舱；11方向舵机；12方向舵板；13主推进器；14辅助推进器；15水平翼；16主控密封舱；17动力电池；18电控电池；19防水电缆；20水声换能器。其中，1、2、4、5构成天线单元。
本发明是这样实现的：在风动力浮标的顶部架设天线单元，用以接收来自母船的任务信息，天线杆外部安装风帆，在风动力浮标上安装风向风速仪，用以获得风动力浮标当前位置的风向、风速，从而获取风动力浮标当前位置的表观风向角，在风动力浮标上还安装有姿态与定位密封舱，用以获取姿态及位置等信息，考虑到风动力浮标最终工作区域是一个以目标点为圆心的圆形工作区，风动力浮标行驶至该区域内即完成航行任务停止航行。由于在风动力浮标行驶过程中，若遇逆风情况，则风对风动力浮标行驶的阻碍作用要大于推动作用，因此将正逆风方向左右各45°区域定为不可航行区域。
图4所示为本发明所提供的控制方法控制流程图，具体的操作步骤如下(其中步骤2～7为艏向控制，步骤8为风帆转向控制，步骤9为航速控制方法及推进器推力分配设计)：
步骤1：由风动力浮标搭载的天线单元接收来自母船的任务信息，并对任务信息进行解算，得到目标守位点的位置D、目标守位区域R及期望航速Vq，初始时，调整舵机使风动力浮标艏向为出发点和目标守位点连线方向，开始依靠风动力航行；
步骤2：通过姿态与定位密封舱检测风动力浮标当前所在位置P0、10秒前所在位置P-1、20秒前所在位置P-2、30秒前所在位置P-3，当前位置风动力浮标艏向角
Figure BDA0002520456720000051
当前位置风帆的操帆角度γ(即帆向与艏向的夹角，如图3所示)；
步骤3：求取当前位置指向目标守位点的向量
Figure BDA0002520456720000052
并获取目标艏向角
Figure BDA0002520456720000053
(如图3所示)，判断风动力浮标是否进入工作区，若是则停止航行开始执行工作任务，否则继续执行步骤4，方法为：
若
Figure BDA0002520456720000054
则停止航行开始执行工作任务；
若
Figure BDA0002520456720000055
则继续执行步骤4；
步骤4：利用步骤2中得到的风动力浮标位置信息，估计风动力浮标的平均航行速度
Figure BDA0002520456720000056
由风动力浮标当前所在位置P0、10秒前所在位置P-1、20秒前所在位置P-2、30秒前所在位置P-3，估计风动力浮标当前的航速，解算位置信息得到位置P0的经度为ζ0，纬度为ξ0，位置P-1的经度为ζ1，纬度为ξ1，位置P-2的经度为ζ2，纬度为ξ2，位置P-3的经度为ζ3，纬度为ξ3，则可估计当前风动力浮标的平均航行速度
Figure BDA0002520456720000061
(节)，具体方法为：
Figure BDA0002520456720000062
Figure BDA0002520456720000063
Figure BDA0002520456720000064
Figure BDA0002520456720000065
步骤5：取风动力浮标艏向方向的单位向量为
Figure BDA0002520456720000066
在可航行区域范围内先向右寻找风动力浮标的右侧最佳艏向，在当前风动力浮标艏向的基础上依次将风动力浮标艏向角增加5°，同时将航速
Figure BDA0002520456720000067
投影到风动力浮标当前位置与目标位置的连线方向，即向量
Figure BDA0002520456720000068
方向上，取VR为航速投影，投影方法为：
Figure BDA0002520456720000069
找到航速投影最大的位置对应的艏向角
Figure BDA00025204567200000610
步骤6：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，转为向左寻找风动力浮标的左侧最佳艏向，至风动力浮标艏向增值大于360°时停止寻找，方法为将风动力浮标艏向角依次减少5°，同时将航速
Figure BDA00025204567200000611
投影到风动力浮标当前位置与目标位置的连线方向，即向量
Figure BDA00025204567200000612
方向上，取VL为航速投影，
Figure BDA00025204567200000613
为风动力浮标艏向方向的单位向量，投影方法为：
Figure BDA00025204567200000614
找到航速投影最大的位置对应的艏向角
Figure BDA00025204567200000615
步骤7：将得到右侧最佳艏向
Figure BDA00025204567200000616
及左侧最佳艏向
Figure BDA00025204567200000617
与目标艏向
Figure BDA00025204567200000618
进行比较，得到最佳艏向角
Figure BDA0002520456720000071
闭环操舵使风动力浮标转向最佳艏向
Figure BDA0002520456720000072
确定好最佳艏向后，调整舵机改变风动力浮标艏向，如图2所示，利用最佳艏向
Figure BDA0002520456720000073
与风动力浮标当前艏向
Figure BDA0002520456720000074
的偏差值
Figure BDA0002520456720000075
Figure BDA0002520456720000076
进行闭环控制，调整舵机使风动力浮标艏向为最佳艏向。获取最佳艏向
Figure BDA0002520456720000077
的具体方法为：
Figure BDA0002520456720000078
步骤8：由于风动力浮标艏向改变时，表观风向角会随之发生改变，为了使风动力浮标在航行过程中始终能够获得最大的艏向推力，更好地利用风动力，在调整风动力浮标艏向的同时，通过风向风速仪检测当前风向，实时获取表观风向角θ(即表观风向与艏向的夹角，如图3所示)，从而确定最佳操帆角度γgreat，随之闭环调整风帆操帆角度，从而使风动力浮标始终能够获得最大的艏向推力；利用最佳操帆角度γgreat与当前操帆角度γ的偏差值eγ(eγ＝γgreat-γ)进行闭环控制，调整操帆角度。利用表观风向角θ求取风帆最佳操帆角γgreat的方法为：
Figure BDA0002520456720000079
步骤9：调整好风动力浮标艏向和风帆的操帆角度后，将利用步骤4中方法得到的当前风动力浮标的平均航速
Figure BDA00025204567200000710
与期望航速Vq进行比较，对主推进器的开闭进行判断，并对其推力分配进行设计，具体如下：
若
Figure BDA00025204567200000711
则关闭推进器，仅依靠风动力推动风动力浮标向目标守位点航行；
若
Figure BDA00025204567200000712
则打开推进器，辅助风动力浮标提高航速以使其达到期望航速，如图2所示通过闭环控制，根据用步骤4中方法得到的风动力浮标航速，通过与期望航速比较，得出速度偏差，而后控制主推进器的转速，从而实现提高航速的目的，以此调整航行速度，使其稳定在期望航速，具体方法为：
采用离散形式PID控制设计推进器转速控制器，计算转速控制器的输出n为：
n＝kP(ev-ev-1)+kIev+kD(ev-2ev-1+ev-2)
其中，
Figure BDA00025204567200000713
为当前期望航速与平均航速的偏差，ev-1为前一次期望航速与平均航速的偏差，ev-2为再前一次期望航速与平均航速的偏差，kP、kI、kD为PID参数。
利用推进器转速控制器的输出n进行对两个主推进器进行推力分配，由于用于调整航速的两个主推进器对称分布于风动力浮标两侧，故推力分配方案为：
nl＝n,nr＝n
其中，nl为左侧主推进器转速，nr为右侧主推进器转速。
推力分配结束后返回步骤2。
综上，本发明提供了一种带风帆的动力浮标(简称风动力浮标)自主航行控制方法。通过对任务信息的解算，得到目标点位置、目标区域半径及期望航速，并获取风动力浮标艏向角及其在当前位置的表观风向角等多种状态信息。根据这些信息分别对风动力浮标的艏向、风帆转向及航速进行闭环控制，确保风动力浮标在行驶过程中始终能够获得目标方向上的最大速度，实现了风动力浮标在风动力下以不低于期望的航速向目标点的快速自主航行，减少了动力能源的消耗，比相同体积的无风帆动力浮标的工作时间更长。

Claims (5)

1.一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，其特征在于：步骤如下：
步骤1：风动力浮标搭载的天线单元接收目标守位点的位置D、目标工作区域半径R及期望航速Vq，初始时，调整舵机使风动力浮标艏向为出发点和目标守位点连线方向，开始依靠风动力航行；
步骤2：检测风动力浮标当前所在位置P0、10秒前所在位置P-1、20秒前所在位置P-2、30秒前所在位置P-3，当前位置风动力浮标艏向角
Figure FDA0003635999730000011
当前位置风帆的操帆角度γ；
步骤3：求取当前位置指向目标守位点的向量
Figure FDA0003635999730000012
并获取目标艏向角
Figure FDA0003635999730000013
判断风动力浮标是否进入工作区，若是则停止航行开始执行工作任务，否则继续执行步骤4；
步骤4：利用步骤2中得到的风动力浮标位置信息，估计风动力浮标的平均航行速度
Figure FDA0003635999730000014
步骤5：在可航行区域范围内先向右寻找风动力浮标的右侧最佳艏向，在当前风动力浮标艏向的基础上依次将艏向角增加5°，同时将航速
Figure FDA0003635999730000015
投影到向量
Figure FDA0003635999730000016
方向上，找到投影最大的位置对应的艏向角
Figure FDA0003635999730000017
步骤6：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，寻找其左侧最佳艏向，至艏向角增值大于360°时停止寻找，找到投影最大的位置对应的艏向角
Figure FDA0003635999730000018
步骤7：确定最佳艏向
Figure FDA0003635999730000019
并对风动力浮标艏向进行闭环调整；
Figure FDA00036359997300000110
步骤8：实时获取表观风向角θ，从而确定最佳操帆角度γgreat，并对操帆角度进行闭环调整，使风动力浮标始终能够获得最大的艏向推力；
Figure FDA00036359997300000111
步骤9：调整好风动力浮标艏向和风帆的操帆角度后，将当前风动力浮标的平均航速
Figure FDA00036359997300000112
与期望航速Vq进行比较，对主推进器的开闭进行判断，并对其推力分配进行设计，推力分配结束后返回步骤2；
将当前风动力浮标的平均航速
Figure FDA00036359997300000113
与期望航速Vq进行比较，若
Figure FDA00036359997300000114
则关闭推进器；若
Figure FDA0003635999730000021
则打开推进器；推进器推力分配设计方法为：
首先，计算推进器转速控制器的输出n：
n＝kP(ev-ev-1)+kIev+kD(ev-2ev-1+ev-2)
其中，
Figure FDA0003635999730000022
为当前期望航速与平均航速的偏差，ev-1为前一次期望航速与平均航速的偏差，ev-2为再前一次期望航速与平均航速的偏差，kP、kI、kD为PID参数；
其次，对两个主推进器进行推力分配：
nl＝n,nr＝n
其中，nl为左侧主推进器转速，nr为右侧主推进器转速。
2.根据权利要求1所述的一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，其特征在于：步骤3中的判断方法是：
若
Figure FDA0003635999730000023
则停止航行开始执行工作任务；
若
Figure FDA0003635999730000024
则继续执行步骤4。
3.根据权利要求1或2所述的一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，其特征在于：步骤4具体是：
解算位置信息得到位置P0的经度为ζ0，纬度为ξ0，位置P-1的经度为ζ1，纬度为ξ1，位置P-2的经度为ζ2，纬度为ξ2，位置P-3的经度为ζ3，纬度为ξ3，估计当前风动力浮标的平均航行速度
Figure FDA0003635999730000025
方法为：
Figure FDA0003635999730000026
Figure FDA0003635999730000027
Figure FDA0003635999730000028
Figure FDA0003635999730000029
4.根据权利要求1或2所述的一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，其特征在于：步骤6具体是：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，转为向左寻找风动力浮标的左侧最佳艏向，至风动力浮标艏向增值大于360°时停止寻找，方法为将风动力浮标艏向角依次减少5°，同时将航速
Figure FDA0003635999730000031
投影到风动力浮标当前位置与目标位置的连线方向，即向量
Figure FDA0003635999730000032
方向上，找到航速投影最大的位置对应的艏向角
Figure FDA0003635999730000033
5.根据权利要求3所述的一种带风帆的动力浮标自主航行控制方法，其特征在于：步骤6具体是：当风动力浮标艏向角增值大于180°时，转为向左寻找风动力浮标的左侧最佳艏向，至风动力浮标艏向增值大于360°时停止寻找，方法为将风动力浮标艏向角依次减少5°，同时将航速
Figure FDA0003635999730000034
投影到风动力浮标当前位置与目标位置的连线方向，即向量
Figure FDA0003635999730000035
方向上，找到航速投影最大的位置对应的艏向角
Figure FDA0003635999730000036
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