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一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法

阅读：21发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于无人艇技术领域，具体公开了一种无人艇高性能航行前馈控制系统，包括前馈控制器、制导系统、模型辨识系统、风浪流短期预报系统和无人艇传感系统；所述前馈控制器分别与制导系统、模型辨识系统、无人艇传感系统连接，所述无人艇传感系统分别与风浪流短期预报系统、模型辨识系统连接，所述风浪流短期预报系统与模型辨识系统连接。本发明无人艇高性能航行前馈控制系统极大地提高了无人艇航行的精准度和控制效率，保证无人艇在外界干扰信息的作用下航向、航迹保持稳定，确保无人艇高精度航行；解决了复杂海况下无人艇偏航过大的问题。，下面是一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，包括前馈控制器、制导系统、模型辨识系统、风浪流短期预报系统和无人艇传感系统；无人艇传感系统用于获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统、模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；风浪流短期预报系统用于预测海上未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；模型辨识系统用于预测未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；制导系统用于根据无人艇航行目的地和实时海况为无人艇提供实时优化路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇的动力装置，对无人艇航行进行控制。
2.根据权利要求1所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述风浪流短期预报系统包括自回归预报模型，自回归预报模型利用当前时刻风浪流状态数据预测未来时刻风浪流状态数据。
3.根据权利要求1或2所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述模型辨识系统包括Hammerstein-Wiener模型，Hammerstein-Wiener模型利用当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇位姿数据。
4.根据权利要求3所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述前馈控制器包括串联的广义预测控制器和增量式PID控制器。
5.根据权利要求4所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块；路径规划模块分别与导航模块、避障模块和前馈控制器连接。
6.根据权利要求5所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述避障模块包括激光雷达、海事雷达和侧扫声呐，用于获取障碍物、大型海浪和涡流的信息，并将获取的信息传输至路径规划模块；所述路径规划模块包括全局路径规划和局部路径优化两部分，全局路径规划部分是在海图中给无人艇规划设定路径，局部路径优化部分是依据导航模块提供的信息和避障模块提供的障碍物、大型海浪、涡流的信息，对已规划的设定路径进行路径优化。
7.根据权利要求5所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述无人艇传感系统包括风速风向仪、多普勒流速仪、水位波浪雷达以及GPS和陀螺仪；风速风向仪、多普勒流速仪和水位波浪雷达用于获取海上当前时刻的风浪流状态数据，GPS和陀螺仪用于获取当前时刻无人艇位姿数据。
8.一种权利要求1～7任一所述无人艇高性能航行前馈控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）无人艇航行过程中，通过无人艇传感系统获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统和模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；
（2）风浪流短期预报系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据对未来时刻海上风浪流状态进行预测，得到未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；
（3）模型辨识系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇的位置和姿态，得到未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；
（4）制导系统在充分考虑无人艇系统的动力学约束和机动性能的基础上，结合海图进行全局路径规划，之后依据局部的大型海浪、旋涡、动静态障碍物信息进行局部路径优化，从而获得实时优化的路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；
（5）前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇的动力装置，实现无人艇的航速和艏向控制，确保无人艇在外界干扰信息作用下高精度航行。

说明书全文

一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于无人艇技术领域，具体涉及一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 在海洋中航行的无人艇，由于受到风浪流等外部环境的干扰，会产生横荡、纵荡及艏摇，对水面无人艇高性能航行的负面影响很大。剧烈的摇荡运动不仅会影响船载探测设备的正常工作、降低设备工作效率，而且还可能造成航迹、航向偏离期望设定。目前，抗扰动控制大都通过估计干扰信息并进行实时补偿的方法来抑制干扰，但无人艇时滞性严重，加入控制后往往要数十秒后才能起作用，因此补偿一直是对过去干扰的抑制。因此，如果能够事先预报出水面艇在未来短时间内的摇荡姿态，实现反馈与前馈复合的控制策略，便可保证无人艇在复杂海况下的高性能航行。

发明内容

[0003] 针对现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的旨在提供一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法。

[0004] 为实现发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种无人艇高性能航行前馈控制系统，包括前馈控制器、制导系统、模型辨识系统、风浪流短期预报系统和无人艇传感系统；无人艇传感系统用于获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统、模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；风浪流短期预报系统用于预测未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；模型辨识系统用于预测未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；制导系统用于根据无人艇航行目的地和实时海况为无人艇提供实时优化路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇的动力装置，对无人艇航行进行控制；无人艇的动力装置用于根据前馈控制器的控制指令驱动无人艇航行。

[0005] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述风浪流短期预报系统包括自回归预报模型，自回归预报模型利用当前时刻风浪流状态数据预测未来时刻风浪流状态数据。自回归预报模型是一个统计模型，它主要考虑样本数据中的数据关联性，可将过去时刻的数据值通过线性组合来表达当前时刻的数据值。对应于给定的时间序列，通过Levinson-Durbin 算法对自回归预报模型进行辨识，进而预测未来时刻风浪流状态数据。

[0006] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述模型辨识系统包括Hammerstein-Wiener模型，Hammerstein-Wiener模型利用当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇位姿数据。所述Hammerstein-Wiener模型包含了Hammerstein和Wiener两个非线性系统，即由一个静态的输入非线性模块，一个动态的线性模块和一个静态的输出非线性模块串联组成。所述模型辨识系统利用最小二乘支持向量机回归法，将非线性映射函数将样本映射到高维特征空间，这样就将原样本空间中的非线性函数估计问题转化成高维特征空间中的线性函数估计问题；映射关系构建完成后，便可通过直接通过当前时刻风浪流状态数据、未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻艇体的位姿变化，为未来的广义预测控制提供数据支撑。

[0007] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述前馈控制器包括广义预测控制器和增量式PID控制器，广义预测控制器和增量式PID控制器串联，共同驱动无人艇高性能航行。广义预测控制器具有预测模型、滚动优化和反馈校正三个基本特征；其中，预测模型根据对象的历史信息和未来输入预测其未来的输出；滚动优化通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用，在每一采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻起未来有限的时域，而在下一采样时刻，这一优化域同时向前推移，优化计算不是一次离线完成，而是在线反复进行的；反馈校正则是到下一采样时间，则需首先检测对象的实际输出，并利用这一实时信息对给予模型的预测进行修正，然后再进行新的优化。增量式PID通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。

[0008] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块；路径规划模块分别与导航模块、避障模块和前馈控制器连接。

[0009] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述避障模块包括激光雷达、海事雷达和侧扫声呐，用于获取障碍物、大型海浪和涡流的信息，并将获取的信息传输至路径规划模块。更加优选地，避障模块通过激光雷达发射激光束探测无人艇近距离障碍物或者大型海浪的位置、速度等特征量，通过海事雷达获取远距离障碍物的位置、速度等特征量，通过侧扫声纳用于获取水面水下漩涡和乱流信息，然后对障碍物、大型海浪、漩涡进行三维建模，利用基于时空上下文融合的海面目标跟踪算法获取其圆周半径和速度矢量，并将这些特征量信号传至路径规划模块。其中，基于时空上下文融合的海面目标跟踪算法具体参见文献：彭艳, 陈加宏, 李小毛, 罗均, 谢少荣, 刘畅, 蒲华燕 (2018). 时空上下文融合的无人艇海面目标跟踪. 中国科学:技术科学, 48(12), 103-118）。

[0010] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述路径规划模块包括全局路径规划和局部路径优化两部分，全局路径规划部分是在海图中给无人艇规划设定路径，局部路径优化部分是依据导航模块提供的信息和避障模块提供的障碍物、大型海浪、涡流的信息，对已规划的设定路径进行路径优化，生成实时优化路径点，并将优化路径点传输至前馈控制器。

[0011] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述导航模块通过惯性测量单元获取无人艇的纵向速度和艏摇角速度，并将测量数据传至路径规划模块。

[0012] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，所述无人艇传感系统包括风速风向仪、多普勒流速仪、水位波浪雷达以及GPS和陀螺仪；风速风向仪、多普勒流速仪和水位波浪雷达用于获取海上当前时刻的风浪流状态数据，GPS和陀螺仪用于获取当前时刻无人艇位姿数据，当前时刻无人艇位姿数据包括无人艇纵向、横向和艏摇方向上的位置、角度和速度信息。

[0013] 根据上述的无人艇高性能航行前馈控制系统，优选地，无人艇的动力装置用于根据前馈控制器的控制指令驱动无人艇航行；无人艇动力装置包括油门和舵机，油门根据前馈控制器输出的控制指令实时调整无人艇的航速，舵机根据前馈控制器输出的控制指令实时调整无人艇的艏向，确保无人艇实现高精度航行。

[0014] 上述无人艇高性能航行前馈控制系统的控制方法，包括以下步骤：（1）无人艇航行过程中，通过无人艇传感系统获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统和模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；
（2）风浪流短期预报系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据对未来时刻海上风浪流状态进行预测，得到未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；
（3）模型辨识系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇的位置和姿态，得到未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；
（4）制导系统在充分考虑无人艇系统的动力学约束和机动性能的基础上，结合海图进行全局路径规划，之后依据局部的大型海浪、旋涡、动静态障碍物信息进行局部路径优化，从而获得实时优化的路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；
（5）前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇动力装置，实现无人艇的航速和艏向控制，确保无人艇在外界干扰信息作用下高精度航行。

[0015] 与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：（1）本发明无人艇高性能航行前馈控制系统设有风浪流短期预报系统和模型辨识系统，风浪流短期预报系统利用自回归预报模型根据当前时刻海上的风浪流状态数据预测未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻的风浪流状态数据传输至模型辨识系统，模型辨识系统利用Hammerstein-Wiener模型根据当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇位姿变化数据，并将未来时刻无人艇位姿变化数据传输至前馈控制器，前馈控制器采用广义预测控制算法和增量式PID相结合的控制方法对接收的实时优化路径点信息、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，实现无人艇真正意义上的事前控制，极大地提高了无人艇航行的精准度和控制效率，保证无人艇在外界干扰信息的作用下航向、航迹保持稳定，确保无人艇高精度航行；解决了复杂海况下无人艇偏航过大的问题。

[0016] （2）本发明提取了能够表征海洋干扰信息的要素，并将其作为训练数据；应用最小二乘支持向量机辨识Hammerstein-Wiener型非线性模型，并利用测试数据验证该模型的合理性，完成了小样本海洋环境特征与无人艇运动之间的关系模型。由于该映射关系基于小样本，因此，大大减少了艇载传感器的采样数据量和计算负荷，提高了无人艇未来姿态信息预报的更新速率和准确性；同时，为前馈控制器补偿海洋干扰提供了宝贵的时间，极大地减小了航迹误差。

[0017] （3）本发明充分利用了广义预测控制在处理大时滞系统时，具有多步预测、滚动优化、反馈校正、对模型结构要求低等优点，针对无人艇PID串级控制中系统存在的问题，结合广义预测控制和PID控制来实现无人艇的航向跟踪控制，保证控制输出能够及时有效补偿海洋干扰，提前将航迹误差消除在“萌芽”，实现高精度航行。

[0018] （4）本发明制导系统的避障模块中设有激光雷达、海事雷达和侧扫声呐，不但能获取障碍物、大型海浪的位置、速度信息，同时还能获取水下漩涡和乱流信息，路径规划模块能够根据障碍物、大型海浪、水下漩涡和乱流信息进行路径优化，因此，本发明制导系统能够充分考虑实时海洋环境信息完成路径优化，保证无人艇在复杂海况中安全航行。

[0019] （5）本发明无人艇高性能航行前馈控制系统涉及合理，能够确保无人艇在复杂海况中实现高精度的安全航行，而且整个系统控制过程无人工干预，完全自主，可以满足海上测绘等无人化高精度作业需求。附图说明

[0020] 图1为本发明无人艇高性能航行前馈控制系统的示意图。

具体实施方式

[0021] 实施例1：一种无人艇高性能航行前馈控制系统，参见图1，包括前馈控制器、制导系统、模型辨识系统、风浪流短期预报系统和无人艇传感系统；所述前馈控制器分别与制导系统、模型辨识系统、无人艇传感系统、无人艇动力装置连接，所述无人艇传感系统分别与风浪流短期预报系统、模型辨识系统连接，所述风浪流短期预报系统与模型辨识系统连接。无人艇传感系统用于获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统、模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；风浪流短期预报系统用于预测未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；模型辨识系统用于预测未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；制导系统用于根据无人艇航行目的地和实时海况为无人艇提供实时优化路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇动力装置，对无人艇航行进行控制；无人艇动力装置根据前馈控制器的控制指令驱动无人艇航行。

[0022] 风浪流短期预报系统包括自回归预报模型，自回归预报模型利用当前时刻风浪流状态数据预测未来时刻风浪流状态数据。自回归预报模型是一个统计模型，它主要考虑样本数据中的数据关联性，可将过去时刻的数据值通过线性组合来表达当前时刻的数据值。对应于给定的时间序列，通过Levinson-Durbin算法对自回归预报模型进行辨识，进而预测未来时刻风浪流状态数据。

[0023] 模型辨识系统包括Hammerstein-Wiener模型，Hammerstein-Wiener模型利用当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇位姿数据。所述Hammerstein-Wiener模型包含了Hammerstein和Wiener两个非线性系统，即由一个静态的输入非线性模块，一个动态的线性模块和一个静态的输出非线性模块串联组成。所述模型辨识系统利用最小二乘支持向量机回归法，将非线性映射函数将样本映射到高维特征空间，这样就将原样本空间中的非线性函数估计问题转化成高维特征空间中的线性函数估计问题；映射关系构建完成后，便可通过直接通过当前时刻风浪流状态数据、未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻艇体的位姿变化，为未来的广义预测控制提供数据支撑。

[0024] 前馈控制器包括广义预测控制器和增量式PID控制器，广义预测控制器和增量式PID控制器串联，共同驱动无人艇高性能航行。广义预测控制器具有预测模型、滚动优化和反馈校正三个基本特征；其中，预测模型根据对象的历史信息和未来输入预测其未来的输出；滚动优化通过某一性能指标的最优来确定未来的控制作用，在每一采样时刻，优化性能指标只涉及该时刻起未来有限的时域，而在下一采样时刻，这一优化域同时向前推移，优化计算不是一次离线完成，而是在线反复进行的；反馈校正则是到下一采样时间，则需首先检测对象的实际输出，并利用这一实时信息对给予模型的预测进行修正，然后再进行新的优化。增量式PID通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。

[0025] 制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块；路径规划模块分别与导航模块、避障模块和前馈控制器连接。导航模块通过惯性测量单元获取无人艇的纵向速度和艏摇角速度，并将测量数据传至路径规划模块。避障模块包括激光雷达、海事雷达和侧扫声呐，用于获取障碍物、大型海浪和涡流的信息，并将获取的信息传输至路径规划模块。更加优选地，避障模块通过激光雷达发射激光束探测无人艇近距离障碍物或者大型海浪的位置、速度等特征量，通过海事雷达获取远距离障碍物的位置、速度等特征量，通过侧扫声纳用于获取水面水下漩涡和乱流信息，然后对障碍物、大型海浪、漩涡进行三维建模，利用基于时空上下文融合的海面目标跟踪算法获取其圆周半径和速度矢量，并将这些特征量信号传至路径规划模块。路径规划模块包括全局路径规划和局部路径优化两部分，全局路径规划部分是在海图中给无人艇规划设定路径，局部路径优化部分是依据导航模块提供的信息和避障模块提供的障碍物、大型海浪、涡流的信息，结合A*算法对已规划的设定路径进行路径优化，生成实时优化路径点，并将优化路径点传输至前馈控制器。

[0026] 无人艇传感系统包括风速风向仪、多普勒流速仪、水位波浪雷达以及GPS和陀螺仪；风速风向仪、多普勒流速仪和水位波浪雷达用于获取海上当前时刻的风浪流状态数据，GPS和陀螺仪用于获取当前时刻无人艇位姿数据，当前时刻无人艇位姿数据包括无人艇纵向、横向和艏摇方向上的位置、角度和速度信息。

[0027] 无人艇动力装置包括油门和舵机，油门根据前馈控制器输出的控制指令实时调整无人艇的航速，舵机根据前馈控制器输出的控制指令实时调整无人艇的艏向，确保无人艇实现高精度航行。

[0028] 实施例2：实施例1所述无人艇高性能航行前馈控制系统的控制方法，包括以下步骤：
（1）无人艇航行过程中，通过无人艇传感系统获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统和模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；
（2）风浪流短期预报系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据对未来时刻海上风浪流状态进行预测，得到未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；
（3）模型辨识系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇的位置和姿态，得到未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；
（4）制导系统在充分考虑到无人艇系统的动力学约束和机动性能的基础上，结合海图进行全局路径规划，之后依据局部的大型海浪、旋涡、动静态障碍物等的位置和速度进行局部路径优化，从而获得实时优化的路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；
（5）前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇动力装置，实现无人艇的航速和艏向控制，确保无人艇在外界干扰信息作用下高精度航行。

[0029] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，但不仅限于上述实例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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