基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统及其方法，该方案包括以下步骤：S100、实时监测该无人艇左右螺旋桨的转速；S200、获取该无人艇的期望偏航角度；S300、将该期望偏航角度作为外环输入，通过双PID差分控制算法计算出该无人艇的期望角速度，其中所述双PID差分控制算法将所述无人艇的偏航角度作为外环控制，将所述无人艇的转向角速度作为内环控制；S400、将该期望角速度作为内环输入，通过所述双PID差分控制算法计算出该无人艇左右螺旋桨的期望转速差速；S500、依据该期望转速差速实时补偿所述无人艇左右螺旋桨的转速，形成闭环控制，本申请具有响应速度快、控制效果好及稳定性好的优点。好及稳定性好的优点。好及稳定性好的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统及其方法


[0001]本专利技术涉及船舶控制
，具体涉及基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统及其方法。

技术介绍

[0002]无人艇作为一种无人水面平台，具有适应范围广、使用成本低、可扩展性强等特点，被广泛应用于水域自动化作业领域。无人艇技术涉及艇体设计制造、动力推进、通信导航、运动控制等诸多方面，国内外都非常重视无人艇技术的研发。现有无人艇的运行模式主要有两种，一种为自主航行模式，另外一种为远程遥控模式。其中，自主航行模式是指无人艇按照目标任务，在完全没有人工干预的情况下进行安全航行的一种航行模式。
[0003]无人艇运动控制是自主避障、自主航行的基础和关键。然而，水面无人艇运动控制系统是一个欠驱动、不稳定的非线性系统，很难建立精确的数学模型，达到预期的效果。并且，无人艇的驱动方式多种多样，常见的有单桨单舵、双桨、多桨多舵、泵喷等驱动方式，不同的驱动方式有不同的特点，同时也有不同的控制方法。而双桨相较于单桨单舵的推进控制方式，具有更高的推进冗余度，但其控制难度也更大。并且由于双桨无人艇滞后性强，响应速度慢，仅根据无人艇的航向进行控制难以达到理想的控制效果。
[0004]因此，亟待一种能够实现控制响应快且具有较高稳定性和可靠性的无人艇运动控制系统及其方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统及其方法。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用了以下技术方案：基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法包括以下步骤：
[0007]S100、实时监测该无人艇左右螺旋桨的转速；
[0008]S200、获取该无人艇的期望偏航角度；
[0009]S300、将该期望偏航角度作为外环输入，通过双PID差分控制算法计算出该无人艇的期望角速度，其中所述双PID差分控制算法将所述无人艇的偏航角度作为外环控制，将所述无人艇的转向角速度作为内环控制；
[0010]S400、将该期望角速度作为内环输入，通过所述双PID差分控制算法计算出该无人艇左右螺旋桨的期望转速差速；
[0011]S500、依据该期望转速差速实时补偿所述无人艇左右螺旋桨的转速，形成闭环控制；
[0012]S600、循环S100
‑
S500步骤直至所述无人艇达到期望角速度或行进至目标点。
[0013]工作原理及有益效果：1、与现有技术开环控制的方式相比，本申请先通过霍尔传感器来计算出无人艇左右螺旋桨的实际转速，然后通过双PID差分控制算法分别算出无人
艇的期望角速度和左右螺旋桨的期望转速差速，再通过期望转速差速来实时补偿实际转速，从而使得无人艇能够达到期望角速度，也正是这个闭环控制过程来不断地调整无人艇左右螺旋桨的转速，从而达到了更加精确的控制，而且响应速度大大提高，并不是下达命令后直接将左右螺旋桨的转速转到对应的转速，这样容易导致超调，导致精度不准，而本申请是不断地补偿反馈地过程才达到对应的转速；
[0014]2、与现有技术相比，本申请的无人艇在运动调节过程中是一个不断反馈调整的闭环控制过程，因此具有稳定性好及可靠性好的优点，可极为有效地避免超调，也就是调整过头的问题发生。
[0015]进一步地，步骤S200中，通过GPS获取当前定位数据，通过IMU获取当前姿态数据，并依据该当前定位数据和姿态数据计算出与该无人艇的期望偏航角度。
[0016]进一步地，S410、判断所述无人艇是否需要避障，若需要避障则执行避障操作，若不需要避障则执行步骤S500。
[0017]当遇到障碍时，先进行避障再回到重新进行调整操作，有效避免了无人艇发生碰撞事故的问题发生。
[0018]进一步地，S001、判断无人艇处于自动模式或手动模式；若所述无人艇处于自动模式，则执行步骤S100；若所述无人艇处于手动模式，则根据遥控数据生成控制信号，依据该控制信号调节所述无人艇左右螺旋桨的转速。
[0019]此步骤使得无人艇能够在自动模式和手动模式之间切换，自动模式能够自动按照指令进行巡航，手动模式完全按照遥控指令进行。
[0020]基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统包括岸基控制中心以及与该岸基控制中心无线通信连接的艇载控制中心；所述艇载控制中心运行上述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法；所述艇载控制中心包括底层驱动板、与该底层驱动板通信连接的中层决策板以及与该中层决策板通信连接的两个电机测速驱动板卡，所述底层驱动板上电连接有差分GPS、姿态传感器及超声波传感器。
[0021]本申请通过岸基控制中心来发送指令，艇载控制中心接收指令进行相应的操作，与现有技术最大的区别在于，本申请的艇载控制中心运行上述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法，从而能够实现更加精准地运动控制，显著提高响应速度，而且利用差分GPS能够比普通的GPS提供更加精准地精度，从而能够获取精确地无人艇航速和经纬度坐标，同时利用姿态传感器可以精确地获取无人艇的运动姿态，也能够获取航速和转向角速度等数据，超声波传感器能够检测前方的障碍物。
[0022]进一步地，所述底层驱动板通过所述差分GPS获取所述无人艇的定位数据，通过所述姿态传感器获取所述无人艇的运动状态数据，通过所述超声波传感器获取所述无人艇前方的障碍物数据，所述中层决策板通过所述底层驱动板获取所述定位数据、所述运动状态数据及所述障碍物数据。
[0023]此设置，通过专门的底层驱动板来获取各传感器的数据，然后通过中层决策板来获取这些数据，可以降低中层决策板的运算负担，保证中层决策板能够快速地计算出数据。
[0024]进一步地，两个所述电机测速驱动板卡分别通过霍尔传感器检测所述无人艇左右螺旋桨的电机的转速，且两个所述电机测速驱动板分别驱动控制所述无人艇左右螺旋桨的电机。
[0025]进一步地，所述岸基控制中心包括服务器和客户端，该服务器通过4G/5G与所述中层决策板通信连接，且该客户端每隔多秒向所述服务器发送一次心跳信号，测试所述服务器与所述中层决策板之间的通信状态是否正常；若所述服务器的通信状态不正常，则重新登录服务器；若所述服务器的通信状态正常，则将所述客户端的指令通过所述服务器发送至所述中层决策板。
[0026]此设置，能够时刻保持服务器与中层决策板之间的通信状态，防止岸基控制中心和无人艇之间失去连接，保证了通信连接的稳定性，而且利用4G/5G能够实现高速低延迟的数据传输，尤其是5G通信能够提供更高带宽且更低延迟的数据传输服务，显著提高了无人艇的响应速度，提高了无人艇的控制精度。
[0027]进一步地，所述中层决策板将所述定位数据、所述运动状态数据及所述障碍物数据发送给所述服务器等待接收所述客户端的指令，若所述客户端发出遥控指令，则所述中层决策板根据所述遥控指令计算所述无人艇左右螺旋桨的转速，再根据所述电机测速驱动板分别驱动控制所述电机。
[0028]此设置，相当于提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S100、实时监测该无人艇左右螺旋桨的转速；S200、获取该无人艇的期望偏航角度；S300、将该期望偏航角度作为外环输入，通过双PID差分控制算法计算出该无人艇的期望角速度，其中所述双PID差分控制算法将所述无人艇的偏航角度作为外环控制，将所述无人艇的转向角速度作为内环控制；S400、将该期望角速度作为内环输入，通过所述双PID差分控制算法计算出该无人艇左右螺旋桨的期望转速差速；S500、依据该期望转速差速实时补偿所述无人艇左右螺旋桨的转速，形成闭环控制；S600、循环S100
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S500步骤直至所述无人艇达到期望角速度或行进至目标点。2.根据权利要求1所述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法，其特征在于，步骤S200中，通过GPS获取当前定位数据并依据该当前定位数据获取该无人艇的期望偏航角度。3.根据权利要求1所述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法，其特征在于，S410、判断所述无人艇是否需要避障，若需要避障则执行避障操作，若不需要避障则执行步骤S500。4.根据权利要求1所述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法，其特征在于，S001、判断无人艇处于自动模式或手动模式；若所述无人艇处于自动模式，则执行步骤S100；若所述无人艇处于手动模式，则根据遥控数据生成控制信号，依据该控制信号调节所述无人艇左右螺旋桨的转速。5.基于差分双桨驱动的无人艇运动控制系统，其特征在于，包括岸基控制中心以及与该岸基控制中心无线通信连接的艇载控制中心；所述艇载控制中心运行权利要求1
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4任意一项所述的基于差分双桨驱动的无人艇运动控制方法；所述艇载控制中心包括底层驱动板、与该底层驱动板通信连接的中层决策板以及与该中层决策板通信连接的两个电机测速驱动板卡，所述底层驱动板上电连接有差分GPS、姿...

【专利技术属性】
技术研发人员：张相廷，宓超，陈坚，
申请(专利权)人：一溪古上海人工智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：