CN111552309A - 船舶巡边控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶巡边控制方法包括：在所述船舶上安装若干传感器，所述若干传感器之间形成安装角，所述若干传感器分别发出信号，根据所述信号在媒介中的传播速度及时间计算所述若干传感器与邻近所述若干传感器的岸边之间的距离，将所述距离输入存储有控制算法的控制模块中，所述控制模块根据输入的所述距离构建姿态三角形，通过对所述姿态三角形的实时调整实现对所述船舶的实时控制，通过上述方法建立船体和池塘边缘的相对位置关系和发送指令控制，能较好的解决船体航行的快速性要求和完成巡边任务，解决了在人工投饵中的投饵不均匀和覆盖不全问题。

Description

船舶巡边控制方法
技术领域
本发明涉及导航控制算法领域,尤其涉及池塘巡边导航控制算法领域。
背景技术
池塘养殖是我国养殖的主要方式，随着需求量日益提高，养殖规模不断扩大，对池塘养殖的要求逐渐向精细化方向发展。这种精养的方式要求条件比较高，其中饵料的投放在池塘养殖中起着举足轻重的作用。目前主要以人工投料为主投喂方式。目前人工投饵过程中存在着劳动强度大、投饵不均匀、投饵过量以及投饵覆盖不全面等问题，这将极大的影响养殖质量。池塘养殖时投饵的工作环境及需求特殊，根据池塘养殖品种的摄食特性，投饵船巡边投饵能很好地适用于池塘养殖。
但目前现有的巡边算法存在如下问题：(1)不能适应池塘土质复杂边缘的巡边工作；(2)整体软硬件要求高、成本过高；(3)设备保养和使用要求高；(4)运行速度低，不能满足池塘养殖品种在不同养殖阶段对饵量的要求。因此，如何在养殖过程中，将养殖品种的生活习性与养殖池塘的具体构造相结合，从而改善现有技术中巡边算法存在的问题是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是目前现有的巡边算法中不能适应池塘土质复杂边缘的巡边工作以及现有的算法不能满足船体不同速度的巡边要求，如何在养殖过程中，将养殖品种的生活习性与养殖池塘的具体构造相结合。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
所述巡边控制方法包括：
在所述船舶上安装若干传感器，所述若干传感器之间形成安装角；
所述若干传感器分别发出信号，根据所述信号在媒介中的传播速度及时间计算所述若干传感器与邻近所述若干传感器的岸边之间的距离；
将所述距离输入存储有控制算法的控制模块中；
所述控制模块根据输入的所述距离构建姿态三角形，通过对所述姿态三角形的实时调整实现对所述船舶的实时控制。
较佳地，所述安装角的选取与所述船舶的航行速度和所述船舶与邻近所述船舶的池塘岸边间距离有关，所述船舶与邻近所述船舶的池塘岸边间距离可分为第一边界距离和第二边界距离；所述船舶的航行速度分为若干速度区间。
较佳地，所述安装角的角度分别为第一角度，第二角度和第三角度。
较佳地，所述若干传感器包括第一传感器和第二传感器等，所述第一传感器与所述船舶的边缘垂直安装，所述第二传感器以所述第一传感器为基点按所选择的所述安装角偏转后安装。
进一步地，所述第一传感器与邻近所述第一传感器的障碍物之间的距离为第一传感器距离；所述第二传感器与邻近所述第二传感器的障碍物之间的距离为第二传感器距离。
进一步地，所述姿态三角形由所述第一传感器距离，所述第二传感器距离和虚拟边界距离构成，所述虚拟边界距离为所述第一传感器所发射的信号的反射点和所述第二传感器所发射的信号的反射点之间的距离。
较佳地，所述控制模块中的控制算法包括枚举控制算法。
进一步地，所述控制模块中的控制算法还包括比例积分微分控制算法。
较佳地，所述姿态三角形中的姿态角可以从所述姿态三角形中除去所述安装角的任意两个角度中选取。
进一步地，所述姿态三角形中的姿态角，通常选择所述第一传感器距离与所述虚拟边界之间的夹角。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：通过上述方法建立船体和池塘边缘的相对位置关系和发送指令控制，能较好的解决船体航行的快速性要求和完成巡边任务，解决了在人工投饵中的投饵不均匀和覆盖不全问题，且算法对船体的运行状态具有一定的预测作用，可满足船体不同运行速度的使用要求。
附图说明
图1为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中传感器推荐安装位置示意图；
图2为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中姿态三角形示意图；
图3为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中船舶整体运行效果示意图；
图4为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中池塘构造与算法作用示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中传感器推荐安装位置示意图，本实施例提供了一种在船舶上传感器的安装方法。
在一个示例中，在船舶100中安装第一传感器101和第二传感器102，第一传感器101和第二传感器102位于所述船舶100的左侧100a处，所述左侧100a位于船舶100左边前部的约1/3处，第一传感器101与船舶100的左边缘垂直，第二传感器102以第一传感器101为基点，按照所选择的安装角偏转后安装。
在一个可选的示例中，在船舶100中安装第一传感器101和第二传感器102，第一传感器101和第二传感器102位于所述船舶100的右侧100b处，所述右侧100b位于船舶100右边前部的约1/3处，第一传感器101与船舶100的右边缘垂直，第二传感器102以第一传感器101为基点，按照所选择的安装角偏转后安装。
如图2所述为发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中姿态三角形示意图。
在一个示例中，第一传感器101与第二传感器102之间的安装角θ与船舶100的航行速度和船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离有关，船舶100与邻近船舶的池塘岸边间200距离可分为第一边界距离和第二边界距离，船舶100的航行速度分为若干速度区间。
在一个示例中，第一传感器101的信号发射点与信号反射点之间的距离为第一传感器距离101d，第二传感器102的信号发射点与信号反射点之间的距离为第二传感器距离102d，第一传感器101所发射的信号的反射点和第二传感器102所发射的信号的反射点之间为虚拟边界103，虚拟边界103的长度为103d，其中，第一传感器距离101的和第二传感器距离102及虚拟边界103构成姿态三角形。
在一个示例中，第一传感器距离101d与第二传感器距离102d之间的夹角为安装角θ，姿态角α可在上述姿态三角形中除去所述安装角θ的任意两个角度中选取。
在一个可选的示例中，姿态角α为虚拟边界103与第一传感器距离101d之间的夹角。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离小于第一边界距离且船舶100的航行速度区间为0-0.5m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0m/s，0.3m/s，0.5m/s，安装角θ的选择的范围40°-50°，具体的，安装角θ为第一角度可以为40°，45°，50°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离小于第一边界距离且船舶100的航行速度区间为0.6-0.8m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0.6m/s，0.65m/s，0.7m/s，0.8m/s，安装角θ的选择的范围51°-60°，具体的，安装角θ为第二角度可以为51°，55°，60°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离小于第一边界距离且船舶100的航行速度区间为0.9-1.0m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0.9m/s，0.95m/s，1.0m/s，安装角θ的选择的范围61°-70°，具体的，安装角θ为第三角度可以为61°，65°，70°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第一边界距离小于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为0-0.5m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0m/s，0.3m/s，0.5m/s，安装角θ的选择的范围40°-50°，具体的，安装角θ为第一角度可以为40°，45°，50°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第一边界距离小于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为0.8-1.0m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0.8m/s，0.9m/s，1.0m/s，安装角θ的选择的范围51°-60°，具体的，安装角θ为第二角度可以为51°，55°，60°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第一边界距离小于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为1.1-1.2m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为1.1m/s，1.15m/s，1.2m/s，安装角θ的选择的范围61°-70°，具体的，安装角θ为第三角度可以为61°，65°，70°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为0-0.3m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0m/s，0.2m/s，0.3m/s，安装角θ的选择的范围40°-50°，具体的，安装角θ为第一角度可以为40°，45°，50°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为0.5-0.8m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为0.5m/s，0.6m/s，0.8m/s，安装角θ的选择的范围51°-60°，具体的，安装角θ为第二角度可以为51°，55°，60°等。
在一个可选的示例中，当船舶100与邻近船舶的池塘岸边200之间的距离大于第二边界距离且船舶100的航行速度区间为1.0-1.5m/s，具体的，船舶100的航行速度可以为1.0m/s，1.3m/s，1.5m/s，安装角θ的选择的范围61°-70°，具体的，安装角θ为第二角度可以为61°，65°，70°等。
其中，虚拟边界长度103d与第一传感器距离101d，第二传感器距离102d及安装角θ之间的关系为：
Figure BDA0002502002590000061
其中，姿态角α与虚拟边界长度103d，第一传感器距离101d，第二传感器距离102d之间的关系为：
Figure BDA0002502002590000062
如图3所示为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中船舶整体运行效果示意图。
在一个示例中，船舶100沿着不规则的池塘岸边200航行，在航行过程中第一传感器101和第二传感器102实时发射超声信号并接受反射的超声信号，根据超声在空气中的传播速度及时间间隔，实时计算第一传感器101和第二传感器102与池塘岸边200的实时距离，并将距离信息传输至存储有控制算法的控制模块中，控制模块通过输入的传感器距离信息构建姿态三角形，并通过控制算法调整姿态三角形的动态恒定。
如图4所示为本发明基于夹角式双超声巡边控制方法的一实施例中池塘构造与算法作用示意图。
在一个示例中，池塘区域被分为枚举调整区200a和比例积分微分(ProportionIntegration Differentiation，PID)调整区200b。船舶100在池塘中巡边航行在不同区域时，控制模块选择与区域相对应的不同算法，船舶100沿着航行轨迹300在PID调整区200b中巡边航行，此时控制模块中的算法为比例积分微分调整法，当船舶100航行区域变为200a时，此时控制模块中的算法切换为枚举调整法，控制模块通过对姿态三角形的调整实现对船舶100的状态调整。
在一个可选的示例中，控制模块中的算法为枚举调整法，当船舶100在枚举调整区200a时，控制模块通过枚举调整法对船舶100进行距离保持控制，在枚举调整法中，枚举划分范围要根据实际需要进行限定，船舶正常姿态时，如图2中第一传感器距离101d和第二传感器距离102d之间的关系满足101d＝102d*cosθ，在此基础上对各范围进行限定。
在一个可选的示例中，控制模块中的算法为比例积分微分调整法，当船舶100在PID调整区200b时，控制模块通过比例积分微分调整法对船舶100进行姿态保持控制，在比例积分微分调整法中，使用改进增量式比例积分微分控制进行船舶100巡边控制，对比例积分微分控制的积分部分进行处理，以解决在船舶100航行速度较低造成超调的问题，将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，增量式比例积分微分输出如下：
ΔPn＝Kp(en-en-1)+λK1en+KD(en-2en-1+en-2)
ΔPn:为控制增量，Kp、K1、KD分别为比例项、积分项、微分项系数
en、en-1、en-2分别为当前采样时刻、上次采样时刻、上上次采样时刻产生的偏差。
其中：λ是对积分项的限制参数，赋值原则是：若船舶100航行速度慢，则积分项误差累积小，则可较多的加入积分修正；若船舶100航行速度较快，则积分项误差累积大，则可较少的加入积分修正，下式以三个控制周期为基本单位：
Figure BDA0002502002590000081
上式中t为程序选择的控制周期，T为加入积分项的周期，k为积分项周期的限定参数。k的取值可根据所用控制器的处理速度进行选择，实际可参考船舶100的实际运行状态，若船舶100较不稳定可考虑增大k取值，以减少积分项的作用。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种船舶巡边控制方法，其特征在于，所述巡边控制方法包括：
在所述船舶上安装若干传感器，所述若干传感器之间形成安装角；
所述若干传感器分别发出信号，根据所述信号在媒介中的传播速度及时间计算所述若干传感器与邻近所述若干传感器的岸边之间的距离；
将所述距离输入存储有控制算法的控制模块中；
所述控制模块根据输入的所述距离构建姿态三角形，通过对所述姿态三角形的实时调整实现对所述船舶的实时控制。
2.如权利要求1所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述安装角的选取与所述船舶的航行速度和所述船舶与邻近所述船舶的池塘岸边间距离有关，所述船舶与邻近所述船舶的池塘岸边间距离可分为第一边界距离和第二边界距离；所述船舶的航行速度分为若干速度区间。
3.如权利要求1所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述安装角的角度分别为第一角度，第二角度和第三角度。
4.如权利要求1所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述若干传感器包括第一传感器和第二传感器等，所述第一传感器与所述船舶的边缘垂直安装，所述第二传感器以所述第一传感器为基点按所选择的所述安装角偏转后安装。
5.如权利要求4所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述第一传感器与邻近所述第一传感器的障碍物之间的距离为第一传感器距离；所述第二传感器与邻近所述第二传感器的障碍物之间的距离为第二传感器距离。
6.如权利要求4所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述姿态三角形由所述第一传感器距离，所述第二传感器距离和虚拟边界距离构成，所述虚拟边界距离为所述第一传感器所发射的信号的反射点和所述第二传感器所发射的信号的反射点之间的距离。
7.如权利要求1所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述控制模块中的控制算法包括枚举控制算法。
8.如权利要求7所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述控制模块中的控制算法还包括比例积分微分控制算法。
9.如权利要求1至8任一项所述的船舶巡边控制方法，其特征在于，所述姿态三角形中的姿态角可以从所述姿态三角形中除去所述安装角的任意两个角度中选取。
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