CN111722627A - 用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法及系统 - Google Patents

用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法及系统，动态虚拟锚泊控制方法包括：步骤S1：设定虚拟锚泊定位参数；步骤S2：根据虚拟锚泊定位参数及水面无人航行器当前的实际位置获得水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；步骤S3：根据水面无人航行器的当前实际航向及期望航向获得水面无人航行器的期望打舵角度，并根据期望打舵角度调整水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。

Description

用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法及系统
技术领域
本发明涉及应用于水面无人航行器导航控制领域，特别涉及一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法及系统。
背景技术
虚拟锚泊技术是一种无需船只抛锚就可以实现动态停泊的控制技术，水面无人航行器作为一型利用波浪动力向前驱动、利用太阳能供电的无人自主水面船，传统锚链方式进行锚泊对水面无人航行器的布放回收十分不利，实现水面无人航行器自主定点锚系对水面无人航行器海洋环境长期定点观测意义重大，同时为水面无人航行器导航控制领域增加新的导航控制策略。
水面无人航行器特殊的驱动方式使其无法像传统船舶那样相对静止地锚在水面，同时海上复杂的海况以及气象条件均使得水面无人航行器的锚泊变得尤为困难。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法，包括：
步骤S1：设定虚拟锚泊定位参数；
步骤S2：根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；
步骤S3：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
上述的动态虚拟锚泊控制方法，其中，还包括：
步骤S4：延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
上述的动态虚拟锚泊控制方法，其中，所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离。
上述的动态虚拟锚泊控制方法，其中，所述步骤S2包括：
步骤S21：实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
步骤S22：根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
步骤S23：以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
上述的动态虚拟锚泊控制方法，其中，所述步骤S3包括：
步骤S31：实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
步骤S32：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
步骤S33：根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
上述的动态虚拟锚泊控制方法，其中，所述步骤S4中包括：
延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊控制，若未完成，则依次循环上述步骤S1-S3，直至完成所述水面无人航行器的动态虚拟锚泊圆路径跟踪。
本发明还提供一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制系统，包括：
参数设定单元，设定虚拟锚泊定位参数；
期望航向计算单元，根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；
控制单元，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
上述的动态虚拟锚泊控制系统，其中，还包括：
延时判断单元，延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
上述的动态虚拟锚泊控制系统，其中，所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离。
上述的动态虚拟锚泊控制系统，其中，所述期望航向计算单元包括：
坐标系构建模块，实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
交点位置获得模块，根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
期望航向获得模块，以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
上述的动态虚拟锚泊控制系统，其中，所述控制单元包括：
当前实际航向获得模块，实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
期望打舵角度获得模块，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
航向控制模块，根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
综上所述，本发明相对于现有技术其功效在于：本发明能够克服波浪滑翔器无法实现物理锚泊的缺陷，通过动态虚拟锚泊控制方法实现波浪滑翔器对给定锚泊点的动态虚拟锚泊。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明动态虚拟锚泊控制方法的流程图；
图2为图1中步骤S2的流程图；
图3为图1中步骤S3的流程图；
图4为本发明动态虚拟锚泊控制方法应用示意图；
图5为本发明动态虚拟锚泊控制方法的应用流程图；
图6为本发明动态虚拟锚泊控制方法的效果仿真图；
图7为本发明动态虚拟锚泊控制系统的结构示意图。
其中，附图标记为；
参数设定单元：11
期望航向计算单元：12
坐标系构建模块：121
交点位置获得模块：122
期望航向获得模块：123
控制单元：13
当前实际航向获得模块：131
期望打舵角度获得模块：132
航向控制模块：133
延时判断单元：14
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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做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。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。
请参照图1，图1为本发明动态虚拟锚泊控制方法的流程图。如图1所示，本发明的一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法包括：
步骤S1：设定虚拟锚泊定位参数，其中所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离。
步骤S2：根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向。
请参照图2，图2为图1中步骤S2的流程图。如图2所示，所述步骤S2包括：
步骤S21：实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
步骤S22：根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
步骤S23：以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
步骤S3：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
请参照图3，图3为图1中步骤S3的流程图。如图3所示，所述步骤S3包括：
步骤S31：实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
步骤S32：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
步骤S33：根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
步骤S4：延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
其中，所述步骤S4中包括：延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊控制，若未完成，则返回步骤S3，直至完成所述水面无人航行器的动态虚拟锚泊圆路径跟踪。
以下请参照图4和图5，图4为本发明动态虚拟锚泊控制方法应用示意图；图5为本发明动态虚拟锚泊控制方法的应用流程图。结合图4和图5，将本发明的动态虚拟锚泊控制方法应用于波浪滑翔器以具体说明，但值得注意的是，本发明动态虚拟锚泊控制方法不仅可以应用于波浪滑翔器，同时也可扩展到与波浪滑翔器结构类似的其他水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制上。
如图4和图5所示，步骤一，启动波浪滑翔器动态虚拟锚泊导航控制，设定虚拟锚泊定位中心O，设定半径为rs的期望虚拟锚泊圆，设定前视距离Hset；步骤二，通过GPS实时定位确定波浪滑翔器的实际位置(X,Y)，并以所述波浪滑翔器实际位置(X,Y)为中心建立大地坐标系，将所述波浪滑翔器实际位置点(X,Y)与虚拟锚泊圆的圆心O连线获得点(X′,Y′)，于所述虚拟锚泊圆的交点(X′,Y′)处做虚拟锚泊圆路径前进方向的切线，以所述交点(X′,Y′)为起点，延所述切线方向距离Hset处取点(XLOS,YLOS)，则所述波浪滑翔器实际位置点(X,Y)与所述点(XLOS,YLOS)连线方向即为波浪滑翔器所在位置时刻的期望航向，即点(XLOS,YLOS)为波浪滑翔器的期望航向点；步骤三，波浪滑翔器启动动态虚拟锚泊程序，通过波浪滑翔器期望航向与波浪滑翔器罗盘采集的实际航向输入波浪滑翔器航向控制系统，解算出波浪滑翔器期望打舵角度，执行打舵动作，完成波浪滑翔器对期望航向的实时跟踪；步骤四，延时判断波浪滑翔器是否完成虚拟锚泊导航控制，若未完成，则返回步骤三，直至完成波浪滑翔器的动态虚拟锚泊控制任务。
其中，图4中波浪滑翔器动态虚拟目标锚泊圆为：
(XT-X0)2+(YT-Y0)2＝R2 (1)
LOS角的计算方程为：
Figure BDA0002530652110000071
(X,Y)为波浪滑翔器的实际位置，(XLOS,YLOS)为波浪滑翔器在所述位置(X,Y)时刻的虚拟期望航向点，圆心O＝(XO,YO)为波浪滑翔器锚泊目标点，波浪滑翔器锚泊圆半径为R，Hset为可视距离，所述虚拟期望航向点(XLOS,YLOS)与波浪滑翔器当前位置(X,Y)在切线方向上的投影点相距Hset＝nLpp，这里n＝2～5，Lpp为波浪滑翔器的身长，因此可将LOS算法修正为：
Figure BDA0002530652110000072
其中，e为波浪滑翔器的横向跟随误差，αk为直角坐标系铅直方向与期望航向的夹角，Hset为虚拟期望航向点(XLOS,YLOS)与波浪滑翔器当前位置在切线方向上投影点间的距离。
将波浪滑翔器期望航向角与波浪滑翔器罗盘采集的实际航(X,Y)向输入波浪滑翔器航向控制系统，解算出波浪滑翔器期望打舵角度，通过打舵对航向进行修正，逐步实现波浪滑翔器的当前位置(X,Y)满足:
(X-X0)2+(Y-Y0)2＝R2 (4)
完成波浪滑翔器对期望路径的修正。最后，延时判断波浪滑翔器是否完成虚拟锚泊控制，若未完成，则依次循环上述步骤，直至完成波浪滑翔器动态虚拟锚泊圆路径跟踪。
请参照图6，图6为本发明动态虚拟锚泊控制方法的效果仿真图。如图6所示，为波浪滑翔器在干扰情况下对虚拟锚泊圆的跟踪效果，本发明所提控制方法可有效实现波浪滑翔器对虚拟锚泊圆的跟踪控制，从而实现波浪滑翔器动态虚拟锚泊，满足虚拟锚泊控制精度要求，具有较好的控制效果。
请参照图7，图7为本发明动态虚拟锚泊控制系统的结构示意图。如图7所示，本发明的动态虚拟锚泊控制系统包括：
参数设定单元11，设定虚拟锚泊定位参数，其中，所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离；
期望航向计算单元12，根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；
控制单元13，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
进一步地的动态虚拟锚泊控制系统还包括：
延时判断单元14，延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
再进一步地，所述期望航向计算单元12包括：
坐标系构建模块121，实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
交点位置获得模块122，根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
期望航向获得模块123，以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
更进一步地，所述控制单元13包括：
当前实际航向获得模块131，实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
期望打舵角度获得模块132，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
航向控制模块133，根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
综上所述，水面无人航行器在运行过程中借助波浪能提供前向动力，借助垂直尾舵进行航向控制，这使得水面无人航行器在实际锚泊任务中无法产生后向推力，导致水面无人航行器无法实现相对静态的锚泊效果。通过本发明的动态虚拟锚泊控制方法及系统，使水面无人航行器在一定的设定区域内实现动态虚拟锚泊控制，提高控制的可靠性，更为水面无人航行器导航控制领域增加了新思路。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1：设定虚拟锚泊定位参数；
步骤S2：根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；
步骤S3：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
2.如权利要求1所述的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，还包括：
步骤S4：延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
3.如权利要求1或2所述的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离。
4.如权利要求3所述的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S21：实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
步骤S22：根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
步骤S23：以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
5.如权利要求4所述的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S31：实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
步骤S32：根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
步骤S33：根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
6.如权利要求2所述的动态虚拟锚泊控制方法，其特征在于，所述步骤S4中包括：
延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊控制，若未完成，则返回步骤S3，直至完成所述水面无人航行器的动态虚拟锚泊圆路径跟踪。
7.一种用于水面无人航行器的动态虚拟锚泊控制系统，其特征在于，包括：
参数设定单元，设定虚拟锚泊定位参数；
期望航向计算单元，根据所述虚拟锚泊定位参数及所述水面无人航行器当前的实际位置获得所述水面无人航行器所在当前的实际位置时刻的期望航向；
控制单元，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的期望打舵角度，并根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
8.如权利要求7所述的动态虚拟锚泊控制系统，其特征在于，还包括：
延时判断单元，延时判断所述水面无人航行器是否完成虚拟锚泊导航控制。
9.如权利要求7或8所述的动态虚拟锚泊控制系统，其特征在于，所述虚拟锚泊定位参数包括虚拟锚泊定位中心、期望虚拟锚泊圆及前视距离。
10.如权利要求9所述的动态虚拟锚泊控制系统，其特征在于，所述期望航向计算单元包括：
坐标系构建模块，实时定位确定所述水面无人航行器的实际位置，并以所述水面无人航行器的实际位置为中心构建大地坐标系；
交点位置获得模块，根据所述水面无人航行器的实际位置及所述虚拟锚泊圆的连线获得交点位置；
期望航向获得模块，以所述交点位置为起点，沿所述交点位置的切线方向根据前视距离获得所述水面无人航行器的所述期望航向。
11.如权利要求10所述的动态虚拟锚泊控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：
当前实际航向获得模块，实时采集所述水面无人航行器的所述当前实际航向；
期望打舵角度获得模块，根据所述水面无人航行器的当前实际航向及所述期望航向获得所述水面无人航行器的所述期望打舵角度；
航向控制模块，根据所述期望打舵角度调整所述水面无人航行器向虚拟锚泊定位中心行进的航向。
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