CN112764432A - 一种无人艇航迹跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无人艇航迹跟踪系统及方法。所述跟踪系统包括全球定位系统、航姿测量仪、总线工业电脑、可编程逻辑控制器和电机驱动器；通过全球定位系统测量无人艇的位置信息，通过航姿测量仪测量无人艇的航向及航姿信息；通过总线工业电脑根据无人艇跟踪的目标航迹、所述位置信息和航向及航姿信息采用反推控制算法生成航迹跟踪指令，通过可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生电机差速控制指令；通过电机驱动器根据所述电机差速控制指令控制左驱动电机和右驱动电机转动，调整无人艇航向，以进行目标航迹的跟踪。本发明实现了自动调整无人艇航向，进行无人艇航迹的自动跟踪，减小无人艇航迹的偏离。

Description

一种无人艇航迹跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及无人艇航迹跟踪技术领域，特别是涉及一种无人艇航迹跟踪系统及方法。

背景技术

随着海洋事业的发展，针对海洋空间资源探测、开发及利用的需求也在不断上升。在海洋资源的探索开发过程中，无人艇因为具有模块化、无人化以及智能化等优势，所以受到了越来越多的关注。无人艇的自主运动控制过程中，航迹跟踪控制问题尤为关键。在无人艇的航迹跟踪过程中，风、浪、流等诸多外界干扰量的存在会导致无人艇在自主航迹跟踪的过程中偏离原来的路线，进而导致航行路程和时间的增加以及燃料的消耗增多等问题，因此如何减小无人艇航迹的偏离成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人艇航迹跟踪系统及方法，以实现自动调整无人艇航向，进行无人艇航迹的自动跟踪，减小无人艇航迹的偏离。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人艇航迹跟踪系统，所述跟踪系统包括：全球定位系统、航姿测量仪、总线工业电脑、可编程逻辑控制器和电机驱动器；

所述全球定位系统、所述航姿测量仪分别与所述总线工业电脑连接，所述全球定位系统用于测量无人艇的位置信息，并将所述位置信息发送给所述总线工业电脑，所述航姿测量仪用于测量无人艇的航向及航姿信息，并将所述航向及航姿信息发送给所述总线工业电脑；

所述总线工业电脑与所述可编程逻辑控制器连接，所述总线工业电脑用于根据无人艇跟踪的目标航迹、所述位置信息和航向及航姿信息采用反推控制算法生成航迹跟踪指令，并将所述航迹跟踪指令发送给所述可编程逻辑控制器；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

所述可编程逻辑控制器与所述电机驱动器连接，所述可编程逻辑控制器用于根据所述航迹跟踪指令产生电机差速控制指令，并将所述电机差速控制指令发送给所述电机驱动器；

所述电机驱动器分别与所述无人艇的左驱动电机和右驱动电机连接，所述电机驱动器用于根据所述电机差速控制指令控制所述左驱动电机和所述右驱动电机转动，调整无人艇航向，以进行目标航迹的跟踪。

可选的，所述跟踪系统还包括船载无线数传平台、岸上无线数传平台和后台监控中心；

所述船载无线数传平台分别与所述总线工业电脑和所述岸上无线数传平台连接，所述船载无线数传平台用于将总线工业电脑接收得到的无人艇的位置信息、航向及航姿信息发送给所述岸上无线数传平台；

所述岸上无线数传平台与所述后台监控中心连接，所述岸上无线数传平台用于将所述位置信息和所述航向及航姿信息发送给所述后台监控中心。

可选的，所述跟踪系统还包括：信号接收模块和应急遥控装置；所述信号接收模块分别与所述可编程逻辑控制器和所述应急遥控装置连接；

所述应急遥控装置用于产生遥控航迹跟踪指令，并将所述遥控航迹跟踪指令发送给所述信号接收模块；

所述信号接收模块用于将所述遥控航迹跟踪指令接收至所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器还用于根据所述遥控航迹跟踪指令产生电机差速控制指令。

可选的，所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。

一种无人艇航迹跟踪方法，所述跟踪方法包括如下步骤：

获取无人艇跟踪的目标航迹；

通过无人艇航迹跟踪系统的航姿测量仪获取无人艇的航向及姿态信息；

通过无人艇航迹跟踪系统的全球定位系统获取无人艇的位置信息；

通过无人艇航迹跟踪系统的总线工业电脑根据所述目标航迹、所述位置信息和所述航向及航姿信息利用反推控制算法产生航迹跟踪指令；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

通过无人艇航迹跟踪系统的可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪。

可选的，所述通过无人艇航迹跟踪系统的可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生差速控制指令，之前还包括：

判断是否发生应急状况；

若发生应急状况，则利用无人艇航迹跟踪系统的应急遥控装置发送遥控航迹跟踪指令；

通过可编程逻辑控制器根据所述遥控航迹跟踪指令生成差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪。

可选的，所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV(UnmannedSurface Vessel，水面无人艇)包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种无人艇航迹跟踪系统及方法。所述跟踪系统包括全球定位系统、航姿测量仪、总线工业电脑、可编程逻辑控制器和电机驱动器；通过全球定位系统测量无人艇的位置信息，通过航姿测量仪测量无人艇的航向及航姿信息；通过总线工业电脑根据无人艇跟踪的目标航迹、所述位置信息和航向及航姿信息采用反推控制算法生成航迹跟踪指令，通过可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生电机差速控制指令；通过电机驱动器根据所述电机差速控制指令控制左驱动电机和右驱动电机转动，调整无人艇航向，以进行目标航迹的跟踪。本发明提出了一种无人艇航迹跟踪系统及方法，使得无人艇在预设航行轨迹的基础上，实时采集位置信息和航向及航姿信息，利用总线工业电脑根据反推控制算法生成航迹跟踪指令，实现了自动调整无人艇航向，进行无人艇航迹的自动跟踪，减小无人艇航迹的偏离。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种无人艇航迹跟踪系统的结构图；

图2为本发明提供的一种无人艇航迹跟踪方法的流程图。

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。

本发明的目的是提供一种无人艇航迹跟踪系统及方法，以实现自动调整无人艇航向，进行无人艇航迹的自动跟踪，减小无人艇航迹的偏离。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种无人艇航迹跟踪系统，所述跟踪系统包括：全球定位系统9、航姿测量仪10、总线工业电脑4、可编程逻辑控制器5和电机驱动器6；

所述全球定位系统9、所述航姿测量仪10分别与所述总线工业电脑4连接，所述全球定位系统9用于测量无人艇的位置信息，并将所述位置信息发送给所述总线工业电脑4，所述航姿测量仪10用于测量无人艇的航向及航姿信息，并将所述航向及航姿信息发送给所述总线工业电脑4；

所述总线工业电脑4与所述可编程逻辑控制器5连接，所述总线工业电脑4用于根据无人艇跟踪的目标航迹、所述位置信息和航向及航姿信息采用反推控制算法生成航迹跟踪指令，并将所述航迹跟踪指令发送给所述可编程逻辑控制器5；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

所述可编程逻辑控制器5与所述电机驱动器6连接，所述可编程逻辑控制器5用于根据所述航迹跟踪指令产生电机差速控制指令，并将所述电机差速控制指令发送给所述电机驱动器6；

所述电机驱动器分别与所述无人艇的左驱动电机和右驱动电机连接，所述电机驱动器6用于根据所述电机差速控制指令控制所述左驱动电机和所述右驱动电机转动，调整无人艇航向，以进行目标航迹的跟踪。附图1中的电机7代表了左驱动电机和右驱动电机。

所述跟踪系统还包括船载无线数传平台1a、岸上无线数传平台1b和后台监控中心1c；

所述船载无线数传平台1a分别与所述总线工业电脑4和所述岸上无线数传平台1b连接，所述船载无线数传平台1a用于将总线工业电脑4接收得到的无人艇的位置信息、航向及航姿信息发送给所述岸上无线数传平台1b；

所述岸上无线数传平台1b与所述后台监控中心1c连接，所述岸上无线数传平台1b用于将所述位置信息和所述航向及航姿信息发送给所述后台监控中心1c。

所述跟踪系统还包括：信号接收模块2和应急遥控装置3；所述信号接收模块2分别与所述可编程逻辑控制器5和所述应急遥控装置3连接；

所述应急遥控装置3用于产生遥控航迹跟踪指令，并将所述遥控航迹跟踪指令发送给所述信号接收模块2；

所述信号接收模块2用于将所述遥控航迹跟踪指令接收至所述可编程逻辑控制器5；

所述可编程逻辑控制器5还用于根据所述遥控航迹跟踪指令产生电机差速控制指令。

所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。

如图2所示，本发明还提供一种无人艇航迹跟踪方法，所述跟踪方法包括如下步骤：

获取无人艇跟踪的目标航迹；

通过无人艇航迹跟踪系统的航姿测量仪获取无人艇的航向及航姿信息；

通过无人艇航迹跟踪系统的全球定位系统获取无人艇的位置信息；

判断是否发生应急状况；

若发生应急状况，则利用无人艇航迹跟踪系统的应急遥控装置发送遥控航迹跟踪指令；

通过可编程逻辑控制器根据所述遥控航迹跟踪指令生成差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪；

返回步骤“通过无人艇航迹跟踪系统的航姿测量仪获取无人艇的航向及姿态信息”，直到满足自动跟踪条件，执行步骤“通过无人艇航迹跟踪系统的总线工业电脑根据所述目标航迹、所述位置信息和所述航向及航姿信息利用反推控制算法产生航迹跟踪指令”；

通过无人艇航迹跟踪系统的总线工业电脑根据所述目标航迹、所述位置信息和所述航向及航姿信息利用反推控制算法产生航迹跟踪指令；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

通过无人艇航迹跟踪系统的可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪；

判断位置信息(实际位置)和期望位置的偏差是否小于偏差阈值(是否满足要求)，当不满足要求时返回步骤“航姿测量仪测量无人艇的航向及航姿信息；全球定位系统测量无人艇的位置信息”。

本发明的所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提出了一种无人艇航迹跟踪系统及方法。本发明的跟踪系统主要包括船载航姿测量仪、全球定位系统GPS(Global Positioning System)、总线工业电脑、可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)、电机驱动器、无线数传平台、应急遥控装置及信号接收模块等。船载航姿测量仪实时提供无人艇的航向以及航姿信息；GPS实时提供无人艇的位置信息；总线工业电脑根据期望的无人艇航行位置与实际无人艇位置之间的偏差并且结合实时航向、航姿信息进行计算生成航迹跟踪指令传送至PLC；PLC根据由总线工业电脑传送来的航迹跟踪指令生成电机差速控制指令并传输至电机，由两个电机转动带动螺旋桨并根据差速控制指令相应地控制两个电机改变转速实现差速控制进而调整航向。在无人艇设定好期望的航行轨迹时，利用一种基于状态反馈的反推控制算法进行航迹跟踪控制。若有突发状况或航迹跟踪系统发生故障时，可以利用应急遥控装置，手动控制无人艇航行。本发明提出的无人艇航迹跟踪运动控制方法可以使得无人艇在水平面上跟踪任意航迹，如圆轨迹、直线轨迹和一般的曲线轨迹等，提高了无人艇的自主航行能力以及航迹跟踪的稳态性能和控制精度，有较高的实用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

Claims (7)

1.一种无人艇航迹跟踪系统，其特征在于，所述跟踪系统包括：全球定位系统、航姿测量仪、总线工业电脑、可编程逻辑控制器和电机驱动器；

所述全球定位系统、所述航姿测量仪分别与所述总线工业电脑连接，所述全球定位系统用于测量无人艇的位置信息，并将所述位置信息发送给所述总线工业电脑，所述航姿测量仪用于测量无人艇的航向及航姿信息，并将所述航向及航姿信息发送给所述总线工业电脑；

所述总线工业电脑与所述可编程逻辑控制器连接，所述总线工业电脑用于根据无人艇跟踪的目标航迹、所述位置信息和航向及航姿信息采用反推控制算法生成航迹跟踪指令，并将所述航迹跟踪指令发送给所述可编程逻辑控制器；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

所述可编程逻辑控制器与所述电机驱动器连接，所述可编程逻辑控制器用于根据所述航迹跟踪指令产生电机差速控制指令，并将所述电机差速控制指令发送给所述电机驱动器；

所述电机驱动器分别与所述无人艇的左驱动电机和右驱动电机连接，所述电机驱动器用于根据所述电机差速控制指令控制所述左驱动电机和所述右驱动电机转动，调整无人艇航向，以进行目标航迹的跟踪。

2.根据权利要求1所述的无人艇航迹跟踪系统，其特征在于，所述跟踪系统还包括船载无线数传平台、岸上无线数传平台和后台监控中心；

所述船载无线数传平台分别与所述总线工业电脑和所述岸上无线数传平台连接，所述船载无线数传平台用于将总线工业电脑接收得到的无人艇的位置信息、航向及航姿信息发送给所述岸上无线数传平台；

所述岸上无线数传平台与所述后台监控中心连接，所述岸上无线数传平台用于将所述位置信息和所述航向及航姿信息发送给所述后台监控中心。

3.根据权利要求1所述的无人艇航迹跟踪系统，其特征在于，所述跟踪系统还包括：信号接收模块和应急遥控装置；所述信号接收模块分别与所述可编程逻辑控制器和所述应急遥控装置连接；

所述应急遥控装置用于产生遥控航迹跟踪指令，并将所述遥控航迹跟踪指令发送给所述信号接收模块；

所述信号接收模块用于将所述遥控航迹跟踪指令接收至所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器还用于根据所述遥控航迹跟踪指令产生电机差速控制指令。

4.根据权利要求1所述的无人艇航迹跟踪系统，其特征在于，所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。

5.一种无人艇航迹跟踪方法，其特征在于，所述跟踪方法包括如下步骤：

获取无人艇跟踪的目标航迹；

通过无人艇航迹跟踪系统的航姿测量仪获取无人艇的航向及航姿信息；

通过无人艇航迹跟踪系统的全球定位系统获取无人艇的位置信息；

通过无人艇航迹跟踪系统的总线工业电脑根据所述目标航迹、所述位置信息和所述航向及航姿信息利用反推控制算法产生航迹跟踪指令；所述航迹跟踪指令包括用于产生电机差速控制指令的纵荡力和艏摇力；

通过无人艇航迹跟踪系统的可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪。

6.根据权利要求5所述的无人艇航迹跟踪方法，其特征在于，所述通过无人艇航迹跟踪系统的可编程逻辑控制器根据所述航迹跟踪指令产生差速控制指令，之前还包括：

判断是否发生应急状况；

若发生应急状况，则利用无人艇航迹跟踪系统的应急遥控装置发送遥控航迹跟踪指令；

通过可编程逻辑控制器根据所述遥控航迹跟踪指令生成差速控制指令；

通过无人艇航迹跟踪系统的电机驱动器根据所述差速控制指令驱动无人艇的左驱动电机和右驱动电机转动，进行目标航迹的跟踪。

7.根据权利要求5所述的无人艇航迹跟踪方法，其特征在于，所述反推控制算法的公式为：

其中，τ_u和τ_r分别表示纵荡力和艏摇力；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示USV包含附加质量效应的第一惯性系数、第二惯性系数和第三惯性系数；x₃、x₄、x₅和x₆分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的艏摇角度、x轴方向的速度、y轴方向的速度和艏摇角度的变化速度，

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴坐标x₁的导数、y轴坐标x₂和艏摇角度x₃的导数；τ₁和τ₂分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴的加速度和艏摇角度的加速度的跟踪误差，

u_1d和u_2d分别表示

和

的目标值，

和

分别表示水面无人艇重心在惯性参考坐标系中的x轴方向的速度和艏摇角度的变化速度的导数；d₁₁、d₂₂、d₃₃分别表示纵荡、横荡和艏摇的水动力阻尼系数。

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