一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法，该系统包括岸端控制主机、无线通讯模块、NGC模块、运动模块、环境感知模块，岸端控制主机通过无线通讯模块与NGC模块建立双向通讯连接，NGC模块是本发明专利技术的核心控制系统，包括制导系统、导航系统、运动控制系统，NGC模块通过环境感知模块获得、解析无人艇当前位置、姿态以及环境信息，并且通过控制运动模块驱动无人艇。本发明专利技术设计了一种基于视线制导的动力定位控制策略，并且设计一个死区避免无人艇过度颤振；提出一种基于模糊控制和PID控制的S面控制方法，提高了动力控制灵活性和定位控制的自适应性，使得船体能够稳定在期望位置附近，在真实海况条件下，具有不错的抗干扰能力、鲁棒性和实用性。鲁棒性和实用性。鲁棒性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及无人艇动力定位控制的
，具体地说，涉及一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法。

技术介绍

[0002]动态定位船舶是指完全通过主动推进器，准确地保持其在固定位置或预定航道上的位置和航向的船舶。动力定位的优点是机动性好，位置容易改变，定位不依赖于水深，避免了对海床的破坏。随着海洋的开发利用不断向更深、更远的方向发展，动力定位技术在近海勘探、钻井、管道铺设等领域得到了广泛的应用，引起了人们的广泛关注。
[0003]船舶动态定位系统主要功能是在船舶受到外界风浪流影响作用下,由控制模块生成控制指令,控制动力系统产生相应推力来实现船舶定点控位和航迹跟踪。但是在欠驱动的无人平台的动力定位控制系统和方法，目前还存在面对水面环境复杂性和动力系统只能通过推力和舵角来控制船体的运动，属于欠驱动系统，无人艇的操作控制性能还有待提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法，所提供的控制策略和控制方法具有实用性、有效性、鲁棒性，能够改善上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种欠驱动无人艇动力定位控制系统，所述系统包括岸端控制主机、无线通讯模块、制导
ꢀ‑
导航
‑
控制系统、运动模块和环境感知模块，所述岸端控制主机通过无线通讯模块与所述制导
ꢀ‑
导航
‑
控制系统建立双向通讯连接，用来下达所述岸端控制主机的控制指令和信息传输，并且上传无人艇状态信息和外部环境信息；所述环境感知模块通过电子罗盘和GPS获取自身的位置、速度、艏向和姿态信息，通过激光、摄像头获取海域环境状态信息，并将上述信息传递给制导
‑
导航
‑
控制系统以生成安全轨迹。
[0007]其中，所述制导
‑
导航
‑
控制系统包含制导系统、导航系统和运动控制系统，其所在的控制箱内高度集成了工控机、开发板和继电器，所述导航系统主要对整艘无人艇的位置、姿态状态进行测定，包括经纬度、艏向角、速度和加速度信息；所述制导系统根据当前的船体位置、姿态等信息，以及通过各种传感器得到周围环境信息来对无人艇进行动力定位控制，其控制目标是把无人艇镇定到预定状态，包括位置和艏向；所述运动控制系统计算出舵角值和倒斗值输入所述运动模块中喷泵的舵机和倒斗，来控制无人艇运动。
[0008]本专利技术还提出一种通过以上所述的欠驱动无人艇动力定位控制系统实现的定位控制方法，其是一种动力定位控制策略和基于模糊控制和PID控制的S面控制算法；所述控制策略是基于视线制导方法，结合当前船体在坐标系中相对于目标点的位置和方向计算喷泵的倒斗值和舵角值，并且设计一个死区避免过度颤振，以确保车辆在稳态时保持在接近原点的位置。
[0009]其中，所述S面运动控制算法是基于模糊逻辑控制技术和PID控制技术，借鉴
Sigmoid 曲线函数和Sigmoid曲面函数数学描述形式，而设计出的一类非线性控制算法，使船体能够稳定在期望位置附近，具有抗干扰能力和鲁棒性。
[0010]其中，所述控制策略具体为：当无人艇处于定点镇定模式时，对速度要求降低，速度可以设置成一个小的固定值；当无人艇处于预定平衡点较远时，通过导航系统得出当前无人艇的位置和艏向信息，通过计算，得出当前位置在此坐标下的位置，判断无人艇应该朝着预定平衡点正向前进，还是使无人艇倒车朝着预定平衡点靠近；同时，考虑到在平衡点位置附近反复的切换，将使整个系统在平衡点附近很不稳定，因此，考虑在以平衡点为中心，半径为d的范围内设置一个死区，在死区范围内，通过控制倒斗，使无人艇的速度降到0，处于悬停状态，此时，只通过控制舵，来实现控制无人艇处于期望的艏向。
[0011]本专利技术的技术方案中，首先对欠驱动无人艇的运动模型进行建模：
[0012]动力定位系统一般忽略横摇,纵摇,垂荡模态，只考虑水平面3自由度运动，即:纵荡、横荡和艏摇。运动方程为:
[0013][0014]η＝[x y ψ]T
[0015]v＝[u v r]T
[0016]式中η表示船舶在地球固定坐标系中的位置和航向角；ν表示船舶在船体固定坐标系中的纵荡、横荡和艏摇速度。
[0017]由于动力定位系统只考虑船体的低频运动，因此忽略船体的高频运动过程，只需要研究低频运动。欠驱动船舶低频运动的水平面3自由度运动学方程可写为：
[0018][0019]式中:M
RB
是刚体的质量矩阵；M
A
是刚体的附加质量矩阵；C
RB
是由于船体坐标系是非惯性坐标系而引起的科里奥利力
‑
离心力矩阵；C
A
是回复力矩阵；D
P
是阻尼矩阵和v是浮体在船体坐标系下的角速度和线速度；τ
wind
表示平均风载荷；τ
wave2
表示二阶波浪漂移力；τ
current
表示平均流载荷；τ
control
表示推进器的推力。
[0020]无人艇运动控制系统拥有高度的非线性和欠驱动性。其中在平面中的surge、yaw和sway 三个自由度之间有很大的耦合性；而且对于无人艇而言，很难得到精确的船体的水动力参数并且由于海洋环境中的流、涌、风、浪等的扰动也具有不确定性和非线性，因此对于surge方向的速度控制也不能使用一般的线性系统来实现速度的控制。
[0021]模糊控制在无人艇的控制中一直处于一个很重要的地位。通过模糊控制与其它控制算法的结合，设计出了不同的控制器。比如模糊控制加PID设计的模糊PID控制器在实际中得到应用，并且得到了理想的效果。但模糊控制也存在一些缺点。比如隶属度函数的选择、推理方法以及反模糊化和模糊规则等，都需要很多的操纵经验。而这些都控制效果的好坏至关重要。基于以上考虑，用Sigmoid曲面函数来近似拟合模糊控制面，得到把模糊控制加PID控制相结合得到的S面控制器来实现对无人艇的速度控制。
[0022]有益效果
[0023]应用本专利技术实施例提供的一种欠驱动无人艇动力定位控制系统，结合一种欠驱动无人艇控制方法：S面运动控制方法，使船体能够稳定在期望位置附近，在真实海况条件下具有一定抗干扰能力和鲁棒性，具有较强的实用性，易于实现和大规模应用。
附图说明
[0024]图1为无人艇动力定位控制系统架构图；
[0025]图2为喷泵倒斗
‑
速度曲线拟合图；
[0026]图3为无人艇动力定位控制策略图；
[0027]图4为模糊控制流程示意图；
[0028]图5为模糊控制规则表；
[0029]图6为S面近似拟合模糊控制模型图；
具体实施方式
[0030]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动无人艇动力定位控制系统，其特征在于，所述系统包括岸端控制主机、无线通讯模块、制导
‑
导航
‑
控制系统、运动模块和环境感知模块，所述岸端控制主机通过无线通讯模块与所述制导
‑
导航
‑
控制系统建立双向通讯连接，用来下达所述岸端控制主机的控制指令和信息传输，并且上传无人艇状态信息和外部环境信息；所述环境感知模块通过电子罗盘和GPS获取自身的位置、速度、艏向和姿态信息，通过激光、摄像头获取海域环境状态信息，并将上述信息传递给制导
‑
导航
‑
控制系统以生成安全轨迹。2.根据权利要求1所述的欠驱动无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述制导
‑
导航
‑
控制系统包含制导系统、导航系统和运动控制系统，其所在的控制箱内高度集成了工控机、开发板和继电器。3.根据权利要求2所述的欠驱动无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述导航系统主要对整艘无人艇的位置、姿态状态进行测定，包括经纬度、艏向角、速度和加速度信息。4.根据权利要求2所述的欠驱动无人艇动力定位控制系统，其特征在于：所述制导系统根据当前的船体位置、姿态信息，以及通过各种传感器得到周围环境信息来对无人艇进行动力定位控制，其控制目标是把无人艇镇定到预定状态，包括位置和艏向。5.根据权利要求2所述的欠驱动无人艇动力定位控制系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小毛，曹宏昊，瞿栋，刘东柯，王屹辉，袁晓宇，翁磊，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：