一种船舶自主航行控制系统及控制方法专利检索-环境工程环境工程专利检索查询-专利查询网

一种 船舶自主航行控制系统及控制方法

阅读：238发布：2024-01-03

专利汇可以提供一种船舶自主航行控制系统及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种船舶自主航行控制系统及控制方法，针对航向自动舵的功能缺失性和航迹自动舵的使用局限性，避免了跟踪连续的期望航迹，该方法只需要利用期望航迹的一系列关键离散点，即可能够实现船舶的自主航迹跟踪控制需要，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶自主航行控制问题，尤其适用于水面靶场、高危水域等场合的船舶自主航行需要。该方法在功能上弥补了航向自动舵的缺陷，逼近航迹自动舵的跟踪控制性能，但不需要连续的期望航迹作为跟踪输入。本发明所提出的方法与常规的航迹跟踪控制方法相比，具有很强的工程操作性和实施性，可广泛用于解决船舶的自主航行控制需要。，下面是一种船舶自主航行控制系统及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种船舶自主航行控制系统，其特征在于：包括航行控制计算机、航向航速控制板、发动机、舵角执行机构、GPS及航姿测量设备、舵以及舵角传感器；
所述航行控制计算机，通过网络接收航速指令和离散期望航迹点序列，通过RS232串口接收GPS及航姿测量设备发送的船舶位置及船舶姿态信息，并进行航向控制回路解算和航速控制回路解算，以数字方式通过 PCI总线分别发送舵角指令和油门指令至航向航速控制板；
所述航速控制板，通过PCI总线接收航行控制计算机发出的航向指令和油门指令，通过RS422串口接收舵角传感器发送的舵角信息，解算后通过控制总线输出油门模拟电压和启动指令至发动机，并发送舵角执行指令至舵角执行机构，由舵角执行机构控制舵的方向。
2.根据权利要求1所述的船舶自主航行控制系统，其特征在于：航行控制计算机为PC104控制板。
3.根据权利要求1所述的船舶自主航行控制系统，其特征在于：所述航向航速控制板为PCI总线控制板。
4.一种船舶自主航行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，航行控制计算机接收到离散航迹点序列P[i]后，对离散航迹点序列P[i]进行规划和选取，初始时，选取i＝1；
步骤二，更新当前目标点Pd(xd,yd)＝P[i]，其中xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度；
步骤三，判断当前目标点是否为离散航迹点序列P[i]的最后一个目标航迹点：若是最后一个目标航迹点，将结束自主航行控制；若不是最后一个目标航迹点，则计算船舶当前位置点与当前目标点之间的距离Rt；
步骤四，若Rt≤R，执行i＝i+1，并回到步骤二；若Rt＞R，需要计算船舶的期望航向角ψd，并进入下一步骤；其中，R为转弯半径；
步骤五，通过GPS及航姿测量设备获取船舶的航向角信息，通过航向角与期望航向角ψd之间的偏差，计算出舵角控制回路的期望舵角；
步骤六，通过舵角传感器获取船舶的舵角信息，计算当前舵角值与步骤五计算得到的期望舵角之间的偏差，再利用船舶上的舵角执行机构调整船舶舵的方位。
5.根据权利要求4所述的船舶自主航行控制方法，其特征在于：所述步骤四中，期望航向角ψd的计算公式为：
其中，为期望航向角ψd的过渡计算变量，还需要根据船舶当前位置点与当前目标点的相对位置关系进行象限转换；xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度，xt为当前位置点的经度，yt为当前位置点的纬度，c为船舶当前位置点、当前目标点与地心所构成的地心角，cos(c)为其余弦值；
以船舶当前位置点为原点，建立直角坐标系，其中正北方为纵轴，与纵轴垂直的正东方为横轴；
若当前目标点位于该直角坐标系的第一象限，则
若当前目标点位于该直角坐标系的第二象限，则
若当前目标点位于该直角坐标系的第三四象限，则
6.根据权利要求4所述的船舶自主航行控制方法，其特征在于：当步骤一至步骤六执行完毕后，船舶的位置和姿态随之发生变化，船舶当前位置信息、船舶当前航向角信息和船舶当前舵角信息自动更新。

说明书全文

一种船舶自主航行控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种船舶自主航行控制系统及控制方法，属于船舶自动控制技术领域。

背景技术

[0002] 对于海上或内河航行的水面船舶，常常需要按照预设的航迹自主航行，以完成特定的航行任务，如水面船舶需要沿海岸线自主航行，执行地形勘查、扫雷、水质取样、视景监控等任务；又如靶船需要按指定航迹自主航行，模拟具有运动特性的水面目标，供被试导弹打靶使用。这类任务均需要船舶具有无人值守自主航行能力。

[0003] 航迹自动舵是水面船舶航迹跟踪控制的一种理论解决方案，用以实现对设定航线的跟踪和保持。这种航迹控制方案主要包括航迹偏差控制和船向控制。航向控制用以控制船舶的航向与期望航迹平行，航迹偏差控制则在航向控制的基础上使侧偏距逐渐收敛为零，从而控制船舶的实际航迹收敛于期望航迹上。这种控制方案需要给出连续的期望航迹，然而在实际的工程应用中，要规划出连续的期望航迹需花费很大的人力物力。尤其面对航迹多变的任务控制需要，当期望航迹发生变化时，均需要重新进行航迹规划，极大了限制了航迹自动舵的工程应用。连续的期望航迹仅仅是控制算法的解算需要，从实际应用的角度出发，控制船舶驶出一定形状的期望航迹，只需要期望航迹的一些关键点即可。

[0004] 相对于航迹自动舵，航向自动舵是实现水面船舶自主航行控制的一种折衷手段，并得到了广泛的工程应用，主要用以实现水面船舶巡航速度下的航向保持控制，从而减小船舶驾驶员操舵的工作强度。航向自动舵无法实现船舶的航迹跟踪控制，即使实现船舶的航向保持控制，也时时需要人工干预，远非真正意义的船舶自主航行控制措施发明内容

[0005] 本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种船舶自主航行控制系统及控制方法，只需要利用期望航迹的一系列关键离散点，即可能够实现船舶的自主航迹跟踪控制需要，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶自主航行控制问题，尤其适用于水面靶场、高危水域等场合的船舶自主航行需要，具有很强的工程操作性和实施性。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种船舶自主航行控制系统，包括航行控制计算机、航向航速控制板、发动机、舵角执行机构、GPS及航姿测量设备、舵以及舵角传感器；

[0007] 所述航行控制计算机，通过网络接收航速指令和离散期望航迹点序列，通过RS232串口接收GPS及航姿测量设备发送的船舶位置及船舶姿态信息，并进行航向控制回路解算和航速控制回路解算，以数字方式通过 PCI总线分别发送舵角指令和油门指令至航向航速控制板；

[0008] 所述航速控制板，通过PCI总线接收航行控制计算机发出的航向指令和油门指令，通过RS422串口接收舵角传感器发送的舵角信息，解算后通过控制总线输出油门模拟电压和启动指令至发动机，并发送舵角执行指令至舵角执行机构，由舵角执行机构控制舵的方向。

[0009] 进一步，航行控制计算机为PC104控制板。

[0010] 进一步，所述航向航速控制板为PCI总线控制板。

[0011] 一种船舶自主航行控制方法，包括以下步骤：

[0012] 步骤一，航行控制计算机接收到离散航迹点序列P[i]后，对离散航迹点序列P[i]进行规划和选取，初始时，选取i＝1；

[0013] 步骤二，更新当前目标点Pd(xd,yd)＝P[i]，其中xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度；

[0014] 步骤三，判断当前目标点是否为离散航迹点序列P[i]的最后一个目标航迹点：若是最后一个目标航迹点，将结束自主航行控制；若不是最后一个目标航迹点，则计算船舶当前位置点与当前目标点之间的距离Rt；

[0015] 步骤四，若Rt≤R，执行i＝i+1，并回到步骤二；若Rt＞R，需要计算船舶的期望航向角ψd，并进入下一步骤；其中，R为转弯半径；

[0016] 步骤五，通过GPS及航姿测量设备获取船舶的航向角信息，通过航向角与期望航向角ψd之间的偏差，计算出舵角控制回路的期望舵角；

[0017] 步骤六，通过舵角传感器获取船舶的舵角信息，计算当前舵角值与步骤五计算得到的期望舵角之间的偏差，再利用船舶上的舵角执行机构调整船舶舵的方位。

[0018] 进一步，所述步骤四中，期望航向角的计算公式为：

[0019]

[0020]

[0021] 其中，为期望航向角ψd的过渡计算变量，还需要根据船舶当前位置点与当前目标点的相对位置关系进行象限转换；xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度，xt为当前位置点的经度，yt为当前位置点的纬度，c为船舶当前位置点、当前目标点与地心所构成的地心角，cos(c)为其余弦值；

[0022] 以船舶当前位置点为原点，建立直角坐标系，其中正北方为纵轴，与纵轴垂直的正东方为横轴。

[0023] 若当前目标点位于该直角坐标系的第一象限，则

[0024] 若当前目标点位于该直角坐标系的第二象限，则

[0025] 若当前目标点位于该直角坐标系的第三四象限，则

[0026] 进一步，当步骤一至步骤六执行完毕后，船舶的位置和姿态随之发送变化，船舶当前位置信息、船舶当前航向角信息和船舶当前舵角信息自动更新。

[0027] 本发明所达到的有益技术效果：本发明正是针对航向自动舵的功能缺失性和航迹自动舵的使用局限性，避免跟踪连续的期望航迹，提出了一种新的船舶自主航行控制方法。该方法只需要利用期望航迹的一系列关键离散点，即可能够实现船舶的自主航迹跟踪控制需要，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶自主航行控制问题，尤其适用于水面靶场、高危水域等场合的船舶自主航行需要。该方法在功能上弥补了航向自动舵的缺陷，逼近航迹自动舵的跟踪控制性能，但不需要连续的期望航迹作为跟踪输入。本发明所提出的方法与常规的航迹跟踪控制方法相比，具有很强的工程操作性和实施性，可广泛用于解决船舶的自主航行控制需要。
附图说明

[0028] 图1本发明之船舶自主航行控制方法流程示意图；

[0029] 图2本发明之船舶自主航行控制系统组成框图；

[0030] 图3本发明之期望航向角计算方法原理图。

具体实施方式

[0031] 为了能更好的了解本发明的技术特征、技术内容及其达到的技术效果，现将本发明的附图结合实施例进行更详细的说明。

[0032] 下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

[0033] 如图2所示，本发明提供一种船舶自主航行控制系统，包括航行控制计算机、航向航速控制板、发动机、舵角执行机构、GPS及航姿测量设备、舵以及舵角传感器；

[0034] 所述航行控制计算机，通过网络接收航速指令和离散期望航迹点序列，通过RS232串口接收GPS及航姿测量设备发送的船舶位置及船舶姿态信息，并进行航向控制回路解算和航速控制回路解算，以数字方式通过PCI总线分别发送舵角指令和油门指令至航向航速控制板；

[0035] 所述航速控制板，通过PCI总线接收航行控制计算机发出的航向指令和油门指令，通过RS422串口接收舵角传感器发送的舵角信息，解算后通过控制总线输出油门模拟电压和启动指令至发动机，并发送舵角执行指令至舵角执行机构，由舵角执行机构控制舵的方向。

[0036] 进一步，航行控制计算机为PC104控制板。

[0037] 进一步，所述航向航速控制板为PCI总线控制板。

[0038] 如图1所示，本发明提供一种船舶自主航行控制方法，包括以下步骤：

[0039] 步骤一，航行控制计算机接收到离散航迹点序列P[i]后，对离散航迹点序列P[i]进行规划和选取，初始时，选取i＝1；

[0040] 步骤二，更新当前目标点Pd(xd,yd)＝P[i]，其中xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度；

[0041] 步骤三，判断当前目标点是否为离散航迹点序列P[i]的最后一个目标航迹点：若是最后一个目标航迹点，将结束自主航行控制；若不是最后一个目标航迹点，则计算船舶当前位置点与当前目标点之间的距离Rt；

[0042] 步骤四，若Rt≤R，执行i＝i+1，并回到步骤二；若Rt＞R，需要计算船舶的期望航向角ψd，并进入下一步骤；其中，R为转弯半径；

[0043] 期望航向角的计算公式为：

[0044]

[0045]

[0046] 其中，为期望航向角ψd的过渡计算变量，还需要根据船舶当前位置点与当前目标点的相对位置关系进行象限转换；xd为当前目标点的经度，yd为当前目标点的纬度，xt为当前位置点的经度，yt为当前位置点的纬度，c为船舶当前位置点、当前目标点与地心所构成的地心角，cos(c)为其余弦值；

[0047] 以船舶当前位置点为原点，建立直角坐标系，其中，北方为纵轴，与纵轴垂直的正东方为横轴。

[0048] 若当前目标点位于该直角坐标系的第一象限，则

[0049] 若当前目标点位于该直角坐标系的第二象限，则

[0050] 若当前目标点位于该直角坐标系的第三四象限，则图3为期望航向角计算方法原理图，从图中可以看出期望航向角、航向角以及目标点之间的位置关系。

[0051] 步骤五，通过GPS及航姿测量设备获取船舶的航向角信息，通过航向角与期望航向角ψd之间的偏差，计算出舵角控制回路的期望舵角；

[0052] 步骤六，通过舵角传感器获取船舶的舵角信息，计算当前舵角值与步骤五计算得到的期望舵角之间的偏差，再利用船舶上的舵角执行机构调整船舶舵的方位。

[0053] 当步骤一至步骤六执行完毕后，船舶的位置和姿态随之发送变化，船舶当前位置信息、船舶当前航向角信息和船舶当前舵角信息自动更新。步骤三至步骤六在船舶自主航行过程中，一直处于实时运行状态，运行的次数和频率取决于所选用的GPS位置及航姿测量设备和舵角传感器的数据采样率。

[0054] 本发明涉及变量及名称的解释如下：

[0055] 离散航迹点序列：由一系列具有先后到达条件的期望航迹点组成的航迹点序列P[i]，i＝1,2,3,...,N；其中，P[i]＝(xdi,ydi)，xdi为期望航迹点的经度坐标，ydi为期望航迹点的纬度坐标。

[0056] 当前目标点：船舶航行过程中下一步要到达的目标点，为航迹点序列P[i]中的某一点。

[0057] 当前位置点：船舶的当前位置点，随着船舶位置的变化由GPS及航姿测量设备实时获取，记为Pt(xt,yt)，其中xt为当前位置点的经度，yt为当前位置点的纬度。

[0058] 航向角：船舶的纵向中轴线与真北的夹角，可由GPS及航姿测量设备实时获取，记为ψ。

[0059] 期望航向角：船舶当前位置点与当前目标点连线与真北的夹角，是航向控制回路的期望航向值，记为ψd。

[0060] 转弯半径：用于当前目标点到达条件的判断，可取值为船长的3～5倍，记为R。

[0061] 以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种高效地热井结构	2020-05-08	1022
一种桥梁风屏障装置及其使用方法	2020-05-08	927
一株芽孢杆菌及其在养殖水体中脱氮除硫的应用	2020-05-08	580
N-甲基吡咯啉的生物合成方法	2020-05-08	529
隧道非开挖生态建造方法	2020-05-08	673
一种铁铝基金属间化合物滤芯及其制备方法	2020-05-08	821
畜禽养殖污废治理及资源化综合利用方案	2020-05-08	603
用于隧道开挖的离心模型试验装置	2020-05-08	288
一种环境工程用空气净化装置	2020-05-11	244
一种带有防护装置的户外空气监测仪	2020-05-08	133

一种船舶自主航行控制系统及控制方法

一种船舶自主航行控制系统及控制方法

技术领域

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：