CN108427416A - 一种无人船差速自动转向控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无人船差速自动转向控制***，包括导航***，所述导航***用于获取无人船位置、航向和速度的信息；显示设备，所述显示设备用于存储期望的无人船直线轨迹参数和显示无人船状态信息；自动转向控制器，所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量输出给电子调速器，所述电子调速器用于控制螺旋桨电机转速，本发明提出的自动转向***取消了两侧的转向舵机，而是将螺旋桨绕旋转轴和船体固定，通过设计的控制算法，自动调节左右两个螺旋桨转速差，实现无人船转向控制。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域，具体涉及到一种无人船差速自动转向控制***及控制方法。
背景技术
随着GNSS高精度卫星导航技术的普及，海洋测绘已经成为卫星导航应用的重要方向，而无人船作为海洋测绘设备如测深仪等设备的载体平台，在测绘作业中发挥了重要作用。如图1所示，传统的无人船动力***由左右两个推进螺旋桨和左右两个转向舵机组成，通过螺旋桨提供前进动力，并且通过舵机带动左右螺旋桨绕旋转轴旋转，从而改变螺旋桨推进力方向，产生转向力矩以实现转向。在许多中小型无人船使用的转向舵机往往是塑料部件，在转向过程中由于齿轮磨损，非常容易导致舵机损坏，因此极大地影响了无人船***可靠性。
发明内容
为了解决上述的缺陷，本发明提供了一种无人船差速自动转向控制***及控制方法，以替代传统舵机转向控制方式。本发明提出的自动转向***取消了两侧的转向舵机，而是将螺旋桨绕旋转轴和船体固定，通过设计的控制算法，自动调节左右两个螺旋桨转速差，实现无人船转向控制。
本发明提供了一种无人船差速自动转向控制***，包括导航***，所述导航***用于获取无人船位置、航向和速度的信息；显示设备，所述显示设备用于存储期望的无人船直线轨迹参数和显示无人船状态信息；自动转向控制器，所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量输出给电子调速器，所述电子调速器用于控制螺旋桨电机转速。
上述的一种无人船差速自动转向控制***，其中，还包括无线传输模块、螺旋桨直流无刷电机，所述无线传输模块用于通过无线传输方式获取显示设备的轨迹数据，所述螺旋桨直流无刷电机用于带动螺旋桨叶片旋转，所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量以PWM脉宽信号的形式输出给电子调速器，所述导航***为GNSS和IMU组合的导航***，所述显示设备为地面站显示设备。
上述的一种无人船差速自动转向控制***，其中，所述GNSS和IMU组合的导航***通过串口输出位置、航向、速度信息给自动转向控制器，所述地面站显示设备通过无线传输模块输出存储的期望轨迹参数给自动转向控制器，所述电子调速器对螺旋桨直流电机进行调速。
本发明的另一面提供了一种无人船差速自动转向控制方法，包括以下步骤：
步骤(1):获取无人船位置、航向和速度信息；
步骤(2):计算无人船的横向偏差和航向偏差；
步骤(3):建立无人船线性化运动学状态空间模型；
步骤(4):计算转向控制量；
步骤(5):计算PWM信号脉宽。
上述的方法，其中，所述步骤(1)具体包括：通过GNSS接收机接收卫星导航信号，获取更高精度的位置和航向信息，需要使用RTK实时运动差分定位技术；以及通过IMU测量无人船自身的角速度和加速度信息，将测量数据通过卡尔曼滤波算法进行融合，输出滤波后的无人船位置坐标x和y、航向yaw和速度v。
上述的方法，其中，所述步骤(2)具体包括：取北向坐标系为x方向，东向坐标系为y方向，期望直线轨迹的航向为Dyaw，期望直线轨迹方程为：
ax+by+c＝0 (公式1)
根据步骤(1)获取的实时无人船位置、航向信息，以及期望的无人船直线轨迹参数和期望航向，计算得到无人船当前的横向偏差xt(公式2)和航向偏差xh(公式3)，直线轨迹参数a、b、c和期望航向Dyaw由地面站显示设备计算得到，并通过无线传输模块发至自动转向控制器，
xh＝Dyaw-yaw(公式3)。
上述的方法，其中，所述步骤(3)具体包括：根据步骤(1)得到的无人船速度信息v和步骤(2)得到的横向偏差xt和航向偏差xh，取横向偏差xt和航向偏差xh作为状态，得到无人船线性化运动学状态空间模型(公式3和公式4)，进而得到无人船的运动学状态矩阵A、B、C、D，公式中w值表示左右两侧螺旋桨轴线距离，u表示控制器的控制量；
D＝0(公式9)
记Ts为控制周期，则得到离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd如下：
Cd＝C(公式12)
Dd＝0(公式13)。
上述的方法，其中，所述步骤(4)具体包括：根据步骤(3)得到的离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd，和步骤(2)计算的当前周期横向偏差xt和航向偏差xh，按照如下MPC模型预测控制算法计算公式得到控制量u；
构造矩阵F和G；
求解控制量序列U；
U＝(GTQG+R)-1(GTQ(ref-Fx))(16)；
公式中ref为参考输入向量，为零向量，为当前测量状态量，Q为状态量权重矩阵，R为控制量权重矩阵，Np为预测时域，Nm为控制时域；Q、R、Np和Nm均为可调的控制参数；取U的第一个元素作为控制量输出u。
上述的方法，其中，所述步骤(5)具体包括：根据步骤(4)得到的控制量u，通过转化公式(15)和(16)得到左右电子调速器的PWM控制信号脉宽，由自动转向控制器产生相应脉宽的PWM信号，电机调速器根据接收到的脉宽变化控制螺旋桨直流电机转动，形成转速差，提供无人船前进和转到推力，计算公式如下：
其中umax为最大螺旋桨转速，根据不同的无人船动力情况进行标定；PWMmin和PWMmax是电机驱动器接收的最小和最大PWM信号脉宽，由不同的电机驱动器接收信号协议确定；PWM初值为提供无人船前进速度的PWM分量，根据需要的无人船前进速度确定。
本发明具有以下有益效果：本发明提出的自动转向***取消了两侧的转向舵机，而是将螺旋桨绕旋转轴和船体固定，通过设计的控制算法，自动调节左右两个螺旋桨转速差，实现无人船转向控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是传统无人船舵机转向结构示意图；
图2a、图2b是本发明中无人船差速自动转向结构示意图；
图3是本发明中无人船直线跟踪示意图；
图4是本发明中无人船差速自动转向控制方法原理图；
图5是本发明中无人船差速自动转向控制算法流程图；
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
参照图1-图5所示，本发明提供了一种无人船差速自动转向控制***，包括GNSS和IMU组合导航***，用于获取无人船位置、航向和速度等信息。地面站显示设备，用于存储期望的无人船直线轨迹参数，实时显示无人船状态信息。自动转向控制器，用于计算控制量并将控制量以PWM脉宽信号的形式输出给电子调速器。无线传输模块，用于通过无线传输方式获取地面站显示设备的轨迹数据。电子调速器，用于控制螺旋桨电机转速。螺旋桨直流无刷电机，用于带动螺旋桨叶片旋转。螺旋桨，用于提供无人船推力。还包括自动转向控制***供电电源、连接线缆等。
在本发明中，各模块之间的相互作用方式如下：GNSS和IMU组合导航***通过串口输出位置、航向、速度等信息给自动转向控制器；地面站显示设备通过无线传输模块输出存储的期望轨迹参数给自动转向控制器；自动转向控制器通过PWM信号输出控制量给电子调速器；电子调速器对螺旋桨直流电机进行调速；螺旋桨直流电机带动螺旋桨转到提供无人船动力。本发明的自动转向***取消了两侧的转向舵机，而是将螺旋桨绕旋转轴和船体固定，通过设计的控制算法，自动调节左右两个螺旋桨转速差，实现无人船转向控制。
本发明的工作原理为：如图3所示，自动转向控制器通过串口获取GNSS和IMU组合导航***的无人船航向、速度和位置等信息，以及无线传输模块获取的地面站显示设备存储的期望运行轨迹和期望航向信息，由自动控制算法根据上述信息计算转向控制量，并将控制量转化成左右两侧螺旋桨电机电子调速器的PWM脉宽输入信号。电子调速器根据输入的PWM信号，检测PWM信号脉宽，调节螺旋桨电机转速，形成左右两侧螺旋桨转速差，进而产生转向力矩，自动控制无人船沿着期望轨迹转向。
本发明的另一面，如图5所示，本发明的无人船自动转向控制方法，可按照以下具体步骤实现：
步骤(1)：获取无人船位置、航向和速度信息，具体包括：
一方面由GNSS接收机接收卫星导航信号(如GPS、伽利略、格拉纳斯和北斗导航***)，为了获取更高精度的位置和航向信息，需要使用RTK实时运动差分定位技术，另一方面由IMU(惯性测量单元)测量无人船自身的角速度和加速度信息。将上述数据通过卡尔曼滤波算法进行融合，输出滤波后的无人船位置坐标x和y、航向yaw和速度v等测量信息，这里的位置和航向是在当地水平面坐标系(NED或ENU坐标系)。输出信息通过串口输出给自动转向控制器。
步骤(2)：计算横向偏差和航向偏差，具体包括：
如图2a、图2b所示为无人船直线轨迹跟踪示意图，取北向坐标系为x方向，东向坐标系为y方向，期望直线轨迹的航向为Dyaw，期望直线轨迹方程为：
ax+by+c＝0 (公式1)
根据步骤(1)获取的实时无人船位置、航向信息，以及期望的无人船直线轨迹参数和期望航向，计算得到无人船当前的横向偏差xt(公式2)和航向偏差xh(公式3)。直线轨迹参数a、b、c和期望航向Dyaw由地面站显示设备计算得到，并通过无线传输模块发至自动转向控制器；
xh＝Dyaw-yaw(公式3)
步骤(3)：计算离散***状态空间方程矩阵，具体包括：
根据步骤(1)得到的无人船速度信息v和步骤(2)得到的横向偏差xt和航向偏差xh，取横向偏差xt和航向偏差xh作为状态，得到无人船线性化运动学状态空间模型(公式3和公式4)，进而得到无人船的运动学状态矩阵A、B、C、D，公式中w值表示左右两侧螺旋桨轴线距离，u表示控制器的控制量。
D＝0 (公式9)
记Ts为控制周期，则得到离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd如下：
Cd＝C (公式12)
Dd＝0 (公式13)。
步骤(4)：计算转向控制量，具体包括：
根据步骤(3)得到的离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd，和步骤(2)计算的当前周期横向偏差xt和航向偏差xh，按照如下MPC模型预测控制算法计算公式得到控制量u。
构造矩阵F和G
求解控制量序列U
U＝(GTQG+R)-1(GTQ(ref-Fx)) (16)
公式中ref为参考输入向量，为零向量，为当前测量状态量，Q为状态量权重矩阵，R为控制量权重矩阵，Np为预测时域，Nm为控制时域；Q、R、Np和Nm均为可调的控制参数；取U的第一个元素作为控制量输出u。
步骤(5)：计算PWM信号脉宽，具体包括：
根据步骤(4)得到的控制量u，通过转化公式(15)和(16)得到左右电子调速器的PWM控制信号脉宽，由自动转向控制器产生相应脉宽的PWM信号。电机调速器根据接收到的脉宽变化控制螺旋桨直流电机转动，形成转速差，提供无人船前进和转到推力。计算公式如下：
其中umax为最大螺旋桨转速，根据不同的无人船动力情况进行标定；PWMmin和PWMmax是电机驱动器接收的最小和最大PWM信号脉宽，由不同的电机驱动器接收信号协议确定；PWM初值为提供无人船前进速度的PWM分量，根据需要的无人船前进速度确定。
在本发明中，如图4所示，本发明的无人船自动转向控制方法特点如下：本控制方法是基于测量负反馈的控制算法，通过计算期望值和反馈值的差值即控制误差，这里的误差包括横向偏差和航向偏差，并将控制误差带入控制器计算控制量；本控制方法是基于无人船运动学模型的控制算法，算法中用到了现代控制理论中的状态空间模型，通过MPC模型预测控制求解得到控制量；本自动转向***的自动转向控制器和电子调速器的输出信号是PWM信号，通过PWM脉宽表示传递控制量大小；电子调速器具有正反转功能，当处于输入信号处于最大脉宽时，螺旋桨电机产生最大正向转速，当输入信号脉宽为最小值时，螺旋桨电机产生最大反向转速；本控制方法具有两路PWM脉宽信号输出，并将控制量转化得到的PWM脉宽信号，分解到左右两侧电子调速器。当左侧螺旋桨电机加速时，右侧螺旋桨电机减速，无人船向右转向；当左侧螺旋桨电机减速时，右侧螺旋桨电机加速，无人船向左转向；当两侧螺旋桨电机转速相同时，无人船不转向。两侧螺旋桨电机可能转动方向相同也可能相反。
在本发明中，如图2b所示，本发明提出的无人船差速自动转向***由GNSS和IMU组合导航***、地面站显示设备、自动转向控制器、无线传输模块、电子调速器、螺旋桨电机、螺旋桨和附属供电电源和连接线缆组成；其中GNSS和IMU组合导航***可以接收GPS、伽利略、格拉纳斯和北斗等卫星导航***信号，利用RTK技术提高实时定位精度，由卡尔曼滤波算法，将卫星导航数据和IMU数据融合得到更精确的无人船位置、速度和航向信息，并通过串口将数据信息发送至自动转向控制器；地面站显示设备用以显示无人船实际位置、速度和航向信息，存储期望运动轨迹参数和期望航向，并通过无线传输模块将数据发送给自动转向控制器；自动转向控制器根据接收到的当前无人船位置、航向以及期望的轨迹参数和航向数据，计算无人船和期望轨迹的横向偏差和航向偏差，建立无人船的状态空间模型，并更新状态空间矩阵，将横向偏差、航向偏差和状态矩阵带入MPC控制算法计算无人船转向控制量，最后将转向控制量转化为左右两侧电子调速器输入的具有一定脉宽PWM控制信号,对螺旋桨电机进行调速，形成左右两侧螺旋桨转速差，自动控制无人船转向。
在本发明中，如图3所示，本发明提出的无人船自动转向控制方法，横向偏差和航向偏差由无人船实时位置、航向以及期望直线轨迹方程和期望航向根据所述公式计算得到；如图4所示，本发明提出的无人船差速自动转向控制方法，是基于负反馈MPC控制算法，控制的测量数据来源GNSS和IMU组合导航***测量的无人船位置和航向数据。控制误差是通过地面站显示设备规划的期望运动轨迹和上述测量信息计算得到的横向偏差xt和航向偏差xh；如图5所示，本发明提出的无人船差速自动转向控制方法，计算流程是先获取GNSS和IMU组合导航数据，再获取地面站显示设备存储的期望轨迹数据，根据上述数据和当前的控制周期，更新***离散状态空间矩阵模型，再状态矩阵、横向偏差和航向偏差带入MPC控制算法进行控制量求解，最后将求解的控制量根据计算公式转化到左右两侧电子调速器的输入PWM信号脉宽，控制螺旋桨电机转速。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，螺旋桨电机和船体直接连接，无需转动螺旋桨方向。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，包括螺旋桨电机，左右各有一个，且相对船体中线对称安装。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，自动转向控制器和电子调速器之间通过PWM信号传递控制量，PWM信号脉宽表示控制量大小，进一步优选，自动转向控制器具有两路PWM脉宽信号，分别控制左右两个电子调速器，再优选，两路PWM脉宽信号，当无人船向左转向时，右侧PWM脉宽大于左侧PWM脉宽，当无人船向右转向时，左侧PWM脉宽大于右侧PWM脉宽，当无人船不转向时，左侧两侧PWM脉宽相等。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，GNSS和IMU组合导航***和自动转向控制器通过串口进行数据传递，以及地面站显示设备和自动转向控制器通过无线传输模块进行数据传递，进一步优选，地面站显示设备和自动转向控制器通过无线传输模块可以是WIFI、蓝牙模块或者无线数传。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，自动转向控制器输入数据横向偏差和航向偏差由地面站显示设备下发的期望轨迹和航向参数和所述的GNSS和IMU组合导航输入的实际测量位置和航向，根据本发明所述计算公式计算得到。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，自动转向控制器根据GNSS和IMU组合导航***提供的速度信息，建立无人船***状态空间模型，根据本发明所述公式计算离散状态空间矩阵模型Ad、Bd、Cd、Dd。
在本发明一优选而非限制性的实施例中，控制量根据状态空间矩阵、横向偏差、航向偏差和离散状态空间矩阵，由MPC控制算法计算公式得到。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种无人船差速自动转向控制***，其特征在于，包括导航***，所述导航***用于获取无人船位置、航向和速度的信息；显示设备，所述显示设备用于存储期望的无人船直线轨迹参数和显示无人船状态信息；自动转向控制器，所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量输出给电子调速器，所述电子调速器用于控制螺旋桨电机转速。
2.如权利要求1所述的一种无人船差速自动转向控制***，其特征在于，还包括无线传输模块、螺旋桨直流无刷电机，所述无线传输模块用于通过无线传输方式获取显示设备的轨迹数据，所述螺旋桨直流无刷电机用于带动螺旋桨叶片旋转，所述自动转向控制器用于计算控制量并将控制量以PWM脉宽信号的形式输出给电子调速器，所述导航***为GNSS和IMU组合的导航***，所述显示设备为地面站显示设备。
3.如权利要求2所述的一种无人船差速自动转向控制***，其特征在于，所述GNSS和IMU组合的导航***通过串口输出位置、航向、速度信息给自动转向控制器，所述地面站显示设备通过无线传输模块输出存储的期望轨迹参数给自动转向控制器，所述电子调速器对螺旋桨直流电机进行调速。
4.一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1):获取无人船位置、航向和速度信息；
步骤(2):计算无人船的横向偏差和航向偏差；
步骤(3):建立无人船线性化运动学状态空间模型；
步骤(4):计算转向控制量；
步骤(5):计算PWM信号脉宽。
5.如权利要求4所述的一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：通过GNSS接收机接收卫星导航信号，获取更高精度的位置和航向信息，需要使用RTK实时运动差分定位技术；以及通过IMU测量无人船自身的角速度和加速度信息，将测量数据通过卡尔曼滤波算法进行融合，输出滤波后的无人船位置坐标x和y、航向yaw和速度v。
6.如权利要求5所述的一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：取北向坐标系为x方向，东向坐标系为y方向，期望直线轨迹的航向为Dyaw，期望直线轨迹方程为：
ax+by+c＝0 (公式1)
根据步骤(1)获取的实时无人船位置、航向信息，以及期望的无人船直线轨迹参数和期望航向，计算得到无人船当前的横向偏差xt(公式2)和航向偏差xh(公式3)，直线轨迹参数a、b、c和期望航向Dyaw由地面站显示设备计算得到，并通过无线传输模块发至自动转向控制器，
xh＝Dyaw-yaw(公式3)。
7.如权利要求6所述的一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：根据步骤(1)得到的无人船速度信息v和步骤(2)得到的横向偏差xt和航向偏差xh，取横向偏差xt和航向偏差xh作为状态，得到无人船线性化运动学状态空间模型(公式3和公式4)，进而得到无人船的运动学状态矩阵A、B、C、D，公式中w值表示左右两侧螺旋桨轴线距离，u表示控制器的控制量；
D＝0(公式9)
记Ts为控制周期，则得到离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd如下：
Cd＝C(公式12)
Dd＝0(公式13)。
8.如权利要求7所述的一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：根据步骤(3)得到的离散化状态空间矩阵Ad、Bd、Cd、Dd，和步骤(2)计算的当前周期横向偏差xt和航向偏差xh，按照如下MPC模型预测控制算法计算公式得到控制量u；
构造矩阵F和G；
求解控制量序列U；
U＝(GTQG+R)-1(GTQ(ref-Fx)) (16)；
公式中ref为参考输入向量，为零向量，为当前测量状态量，Q为状态量权重矩阵，R为控制量权重矩阵，Np为预测时域，Nm为控制时域；Q、R、Np和Nm均为可调的控制参数；取U的第一个元素作为控制量输出u。
9.如权利要求8所述的一种无人船差速自动转向控制方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：根据步骤(4)得到的控制量u，通过转化公式(15)和(16)得到左右电子调速器的PWM控制信号脉宽，由自动转向控制器产生相应脉宽的PWM信号，电机调速器根据接收到的脉宽变化控制螺旋桨直流电机转动，形成转速差，提供无人船前进和转到推力，计算公式如下：
其中umax为最大螺旋桨转速，根据不同的无人船动力情况进行标定；PWMmin和PWMmax是电机驱动器接收的最小和最大PWM信号脉宽，由不同的电机驱动器接收信号协议确定；PWM初值为提供无人船前进速度的PWM分量，根据需要的无人船前进速度确定。
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