CN114791735A - 无人船纠偏方法及系统 - Google Patents
无人船纠偏方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114791735A CN114791735A CN202210540024.0A CN202210540024A CN114791735A CN 114791735 A CN114791735 A CN 114791735A CN 202210540024 A CN202210540024 A CN 202210540024A CN 114791735 A CN114791735 A CN 114791735A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- unmanned ship
- speed
- ship
- unmanned
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 10
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 11
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
- G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
- G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明涉及无人船纠偏技术领域，涉及一种无人船纠偏方法及系统。本发明方法包括定位平台输出无人船的当前坐标、航向角与当前速度，云端管理平台输出无人船的规划运动轨迹，通过Stanley算法计算获得无人船的期望速度与角速度，陀螺仪输出无人船的当前角速度，通过极点配置算法计算获得无人船的打舵角度与电机转速，动力系统进行纠偏控制。本发明方法具有操作简洁、计算量小、实时性高、对于船体计算机计算性能要求低、性能稳定可靠等优点，且本方法不需要对船体动力学精确建模，克服了许多控制算法需要对船体动力学精确建模的缺陷，尤其适用于水浪作用导致精确建模困难的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及无人船纠偏技术领域，尤其涉及一种无人船纠偏方法及系统。
背景技术
无人船是一种无需遥控，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面智能机器人，目前已广泛应用于环保监测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻等领域。具备任务航线规划、自主避障算法，并配以多参数监测传感器及环境治理设备的无人船能够自主实现水文水质监测作业、避障导航、污染追踪报警、环境治理等多类功能。
目前无人船常用的姿态解算算法和控制算法(纠偏算法)大多计算量大，实时性较差，且对于船体计算机的计算性能要求较高，性能稳定性欠佳。此外，许多控制算法需要对船体动力学精确建模，而船在水浪的作用下姿态非常不稳定，导致其动力学模型参数不稳定，从而无法建立起精确的被控对象模型，阻碍了控制算法的实施。
发明内容
(一)发明目的
为了克服目前无人船控制算法(纠偏算法)具有的上述缺点，本发明提供了一种操作简洁、计算量小、实时性高、对于船体计算机计算性能要求低、性能稳定可靠，且不需要对船体动力学精确建模的无人船纠偏方法及系统。
(二)技术方案
为了解决上述问题，我们在无人船纠偏方法及系统中引入了Stanley算法和极点配置算法。
Stanley算法针对的是输入的无人船规划轨迹，以及当前船只的坐标和航向角，根据偏航误差和角度误差，计算获得无人船的期望速度和角速度。在本发明中，基于无人船能够根据预设轨迹实现自动航行的特点，我们通过云端管理平台预先输出了无人船规划运动轨迹，同时利用差分GPS数据和定位板卡获得了无人船的当前坐标与航向角信息，利用Stanley算法对上述信息进行处理，获得了无人船的期望速度与角速度。
进一步，我们将Stanley算法获得的无人船期望速度与角速度输入至运算控制模块，同时输入的还有陀螺仪输出的无人船当前角速度信息和定位平台输出的无人船当前速度信息，然后利用极点配置算法计算并输出无人船的打舵角度与电机转速，并将该信息发送至动力系统进行船体运动的纠偏控制。本发明中使用的极点配置算法使用线性系统对船体动力学建模，采用船体状态作为反馈信号，并构建反馈增益矩阵，通过调试该反馈增益矩阵，实现船体控制系统的快速收敛，其主要的优点在于不需要对船体动力学精确建模。相比而言，现有的无人船控制算法(纠偏算法)大多需要对船体动力学精确建模，而船在水浪的作用下姿态非常不稳定，导致其动力学模型参数不稳定，从而无法建立起精确的被控对象模型，阻碍了控制算法的实施。
当船体运动后产生了新的位置与航向时，实时计算并重复上述过程即可实现对无人船的纠偏与控制，因此，本发明方法可同时实现无人船纠偏与巡航的双重作用。
具体而言，第一方面，本发明提供了一种无人船纠偏方法，所述方法包括：
S1：定位平台获取并输出无人船的当前坐标与航向角；
S2：云端管理平台输出无人船的规划运动轨迹；
S3：根据上述无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度；
S4：定位平台获取并输出无人船的当前速度；
S5：陀螺仪获取并输出无人船的当前角速度；
S6：根据上述无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速；
S7：根据上步计算获得的无人船打舵角度与电机转速，动力系统进行纠偏控制。
进一步地，本发明无人船纠偏方法S1中所述定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成。
进一步地，本发明无人船纠偏方法S1中所述无人船的当前坐标与航向角是利用差分GPS数据和定位板卡获得的。
进一步地，本发明无人船纠偏方法S3中所述无人船的期望速度与角速度通过Stanley算法计算获得。
进一步地，上述无人船纠偏方法中所述Stanley算法是根据输入的无人船规划运动轨迹、以及无人船的当前坐标与航向角，依据偏航误差和角度误差，计算获得无人船的期望速度与角速度。
进一步地，本发明无人船纠偏方法S6中所述无人船的打舵角度与电机转速通过极点配置算法计算获得。
进一步地，上述无人船纠偏方法中所述极点配置算法使用线性系统对船体动力学建模，采用船体状态作为反馈信号，并构建反馈增益矩阵，通过调试该反馈增益矩阵，实现船体控制系统的快速收敛。
第二方面，本发明提供了一种无人船纠偏系统，所述系统包括：
(1)定位平台：用于获取并输出无人船的当前坐标与航向角，以及获取并输出无人船的当前速度；
(2)云端管理平台：用于输出无人船的规划运动轨迹；
(3)Stanley算法模块：用于根据无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度；
(4)陀螺仪：用于获取并输出无人船的当前角速度；
(5)极点配置算法模块：用于根据无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速；
(6)动力系统：用于根据无人船的打舵角度与电机转速信息，对无人船进行纠偏控制；
上述各组件执行上述无人船纠偏方法。
进一步地，上述无人船纠偏系统中所述定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成。
此外，本发明还涉及上述无人船纠偏方法及系统在无人船生产中的用途。
(三)有益效果
(1)本发明方法中引入了Stanley算法，使得本方法操作简洁、计算量小、实时性高、对于船体计算机计算性能要求低、性能稳定可靠。
(2)本发明方法不需要对船体动力学精确建模，从而克服了许多控制算法需要对船体动力学精确建模的缺陷，尤其适用于水浪作用导致精确建模困难的应用场景。
(3)本发明方法中引入了极点配置算法，使用线性系统对船体动力学建模，采用船体状态作为反馈信号，并构建反馈增益矩阵，通过调试该反馈增益矩阵，实现了船体控制系统的快速收敛。
(4)当船体运动后产生了新的位置与航向时，重复本发明方法即可实现对无人船的纠偏与控制，同时实现了无人船纠偏与巡航的双重作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面对实施例描述中需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中记载的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明无人船纠偏方法的总体流程图。
图2为本发明无人船纠偏系统的组织结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1：一种无人船纠偏方法(参见图1)，本方法包括以下步骤：
S1：定位平台获取并输出无人船的当前坐标与航向角：
定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成。
无人船的当前坐标与航向角是利用差分GPS数据和定位板卡获得的。
S2：云端管理平台输出无人船的规划运动轨迹。
S3：根据上述无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度：
无人船的期望速度与角速度通过Stanley算法计算获得。
Stanley算法是根据输入的无人船规划运动轨迹、以及无人船的当前坐标与航向角，依据偏航误差和角度误差，计算获得无人船的期望速度与角速度。
S4：定位平台获取并输出无人船的当前速度。
S5：陀螺仪获取并输出无人船的当前角速度。
S6：根据上述无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速：
无人船的打舵角度与电机转速通过极点配置算法计算获得。
极点配置算法使用线性系统对船体动力学建模，采用船体状态作为反馈信号，并构建反馈增益矩阵，通过调试该反馈增益矩阵，实现船体控制系统的快速收敛。
S7：根据上步计算获得的无人船打舵角度与电机转速，动力系统进行纠偏控制。
当船体运动后产生了新的位置与航向时，实时计算并重复上述过程即可实现对无人船的纠偏与控制，通过上述步骤可同时实现无人船纠偏与巡航的双重作用。
实施例2：一种无人船纠偏系统(参见图2)，所述系统包括：
(1)定位平台：定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成，用于获取并输出无人船的当前坐标与航向角，以及获取并输出无人船的当前速度。
(2)云端管理平台：用于输出无人船的规划运动轨迹。
(3)Stanley算法模块：用于根据无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度。
(4)陀螺仪：用于获取并输出无人船的当前角速度。
(5)极点配置算法模块：用于根据无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速。
(6)动力系统：用于根据无人船的打舵角度与电机转速信息，对无人船进行纠偏控制。
上述各组件执行实施例1所述的无人船纠偏方法。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分参见方法实施例的相关说明即可。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无人船纠偏方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：定位平台获取并输出无人船的当前坐标与航向角；
S2：云端管理平台输出无人船的规划运动轨迹；
S3：根据上述无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度；
S4：定位平台获取并输出无人船的当前速度；
S5：陀螺仪获取并输出无人船的当前角速度；
S6：根据上述无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速；
S7：根据上步计算获得的无人船打舵角度与电机转速，动力系统进行纠偏控制。
2.根据权利要求1所述的无人船纠偏方法，其特征在于，S1中所述定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成。
3.根据权利要求1所述的无人船纠偏方法，其特征在于，S1中所述无人船的当前坐标与航向角是利用差分GPS数据和定位板卡获得的。
4.根据权利要求1所述的无人船纠偏方法，其特征在于，S3中所述无人船的期望速度与角速度通过Stanley算法计算获得。
5.根据权利要求4所述的无人船纠偏方法，其特征在于，所述Stanley算法是根据输入的无人船规划运动轨迹、以及无人船的当前坐标与航向角，依据偏航误差和角度误差，计算获得无人船的期望速度与角速度。
6.根据权利要求1所述的无人船纠偏方法，其特征在于，S6中所述无人船的打舵角度与电机转速通过极点配置算法计算获得。
7.根据权利要求6所述的无人船纠偏方法，其特征在于，所述极点配置算法使用线性系统对船体动力学建模，采用船体状态作为反馈信号，并构建反馈增益矩阵，通过调试该反馈增益矩阵，实现船体控制系统的快速收敛。
8.一种无人船纠偏系统，其特征在于，所述系统包括：
(1)定位平台：用于获取并输出无人船的当前坐标与航向角，以及获取并输出无人船的当前速度；
(2)云端管理平台：用于输出无人船的规划运动轨迹；
(3)Stanley算法模块：用于根据无人船的当前坐标、航向角与规划运动轨迹，计算获得无人船的期望速度与角速度；
(4)陀螺仪：用于获取并输出无人船的当前角速度；
(5)极点配置算法模块：用于根据无人船的当前速度、当前角速度，以及无人船的期望速度与角速度，计算获得无人船的打舵角度与电机转速；
(6)动力系统：用于根据无人船的打舵角度与电机转速信息，对无人船进行纠偏控制；
上述各组件执行权利要求1-7任一项所述的无人船纠偏方法。
9.根据权利要求8所述的无人船纠偏系统，其特征在于，所述定位平台由千寻系统、定位板卡和定位天线组成。
10.根据权利要求1-7任一项所述的无人船纠偏方法在无人船生产中的用途。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210540024.0A CN114791735A (zh) | 2022-05-17 | 2022-05-17 | 无人船纠偏方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210540024.0A CN114791735A (zh) | 2022-05-17 | 2022-05-17 | 无人船纠偏方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114791735A true CN114791735A (zh) | 2022-07-26 |
Family
ID=82463069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210540024.0A Withdrawn CN114791735A (zh) | 2022-05-17 | 2022-05-17 | 无人船纠偏方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114791735A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117193285A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-12-08 | 苏州庄舟智能科技有限公司 | 一种基于极点配置算法的无人船航向控制技术的方法和系统 |
-
2022
- 2022-05-17 CN CN202210540024.0A patent/CN114791735A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117193285A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-12-08 | 苏州庄舟智能科技有限公司 | 一种基于极点配置算法的无人船航向控制技术的方法和系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10192540B2 (en) | Coordinated route distribution systems and methods | |
| CN111595348B (zh) | 一种自主水下航行器组合导航系统的主从式协同定位方法 | |
| CN108362288B (zh) | 一种基于无迹卡尔曼滤波的偏振光slam方法 | |
| CN111309029B (zh) | 基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台 | |
| CN108387236B (zh) | 一种基于扩展卡尔曼滤波的偏振光slam方法 | |
| CN109213159A (zh) | 一种运用无人机进行海上态势感知监测船舶路径的方法 | |
| Shao et al. | The application of AUV navigation based on adaptive extended Kalman filter | |
| CN111026135B (zh) | 一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法 | |
| CN111308470B (zh) | 一种无人船载雷达设备的电子稳定方法及系统 | |
| CN111273312A (zh) | 一种智能车辆定位与回环检测方法 | |
| Bertaska et al. | Experimental evaluation of approach behavior for autonomous surface vehicles | |
| CN114779791A (zh) | 一种波浪滑翔器位置保持方法及系统 | |
| CN114995409A (zh) | 一种无人船自主巡航控制系统及巡航方法 | |
| CN114791735A (zh) | 无人船纠偏方法及系统 | |
| CN115686002A (zh) | 一种复杂海域下的水面无人艇路径跟踪控制方法 | |
| CN111735455A (zh) | 基于改进的高斯距离迭代算法对接回收组合导航方法 | |
| CN115857520B (zh) | 一种基于视觉和船状态结合的无人机着舰状态监视方法 | |
| CN116974278A (zh) | 基于改进los的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法 | |
| Ennong et al. | Design and experiment of a sea-air heterogeneous unmanned collaborative system for rapid inspection tasks at sea | |
| CN116301058A (zh) | 一种无人飞行反馈非线性偏航控制方法、系统和设备 | |
| ZHAO et al. | Fusion guiding technology solution and algorithm for underwater docking of autonomous underwater vehicles | |
| Gan et al. | Control system design of an autonomous surface vehicle | |
| Yan et al. | Cooperative navigation in unmanned surface vehicles with observability and trilateral positioning method | |
| RU2793982C1 (ru) | Устройство и способ для оптимизации траектории движения летательного аппарата | |
| CN114370869B (zh) | 一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220726 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |