[发明专利]基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统及方法

权利要求书

1.一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：该仿真系统整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中，模拟航道中设置有模拟环境因素；

该仿真系统包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；其中

环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息，并分别发送给路径规划子系统和运动控制子系统；

路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向，发送给运动控制子系统；

运动控制子系统包括上位机、下位机和控制机构；上位机用于建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据环境感知子系统得到的模型船航行状态，与路径规划子系统得到的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；下位机用于解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号；控制机构用于根据舵机控制信号和螺旋桨控制信号控制舵机和螺旋桨；

所述的上位机还包括紧急避碰模块，用于接收螺旋桨转速、舵角值、模型船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给下位机，若无需避碰，则将结果传入航向跟踪模型和轨迹跟踪模型；

所述的环境感知子系统包括用于识别模型船船首和船尾的标志灯、用于测量模型船与距离其周围一定范围内障碍物之间距离的距离传感器、用于识别障碍物的激光雷达、用于对障碍物进行定位的船载摄像头；环境感知子系统还包括设置在岸基用于捕捉标志灯从而对模型船进行图像识别定位的岸基单目摄像头。

2.根据权利要求1所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：所述的运动控制子系统还包括远程遥控模块，用于通过远程遥控操作进行应急保护。

3.根据权利要求1所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：所述的路径规划子系统运用人工势能场算法计算障碍物对在航模型船的影响范围，再利用A^*算法进行路径规划。

4.利用权利要求1所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统实现的仿真方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、环境感知：

采集模型船航行状态和模拟环境因素信息；具体包括：在模型船船首和船尾分别设置标志灯；在岸基设置岸基单目摄像头用于捕捉标志灯从而对模型船进行图像识别定位；测量模型船与距离其周围一定范围内障碍物之间距离；识别障碍物并对障碍物进行定位；

S2、规划路径：

根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向；

S3、运动控制：

3.1、建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型；

3.2、根据模型船航行状态，与跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差；

3.3、航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；

3.4、解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号，控制舵机和螺旋桨；

S3还包括紧急避碰步骤，接收螺旋桨转速、舵角值、模型船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给下位机，若无需避碰，则将结果传入航向跟踪模型和轨迹跟踪模型。

5.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于：所述的S3还包括远程遥控步骤，通过远程遥控操作进行应急保护。

6.根据权利要求4所述的仿真方法，其特征在于：所述的S2运用人工势能场算法计算障碍物对在航模型船的影响范围，再利用A^*算法进行路径规划。