[发明专利]一种欠驱动无人艇动力定位控制系统及方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及无人艇动力定位控制的技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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，能够改善上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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。

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。

本发明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。

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。