基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶航行控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]海上活動(dòng)日益繁忙，船舶運(yùn)輸量的增加導(dǎo)致船舶需求量的提升，如何安全、高效地進(jìn)行貨物運(yùn)輸或海事測量已成為航運(yùn)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。隨著船舶智能化的提升，具有高效、減少人力成本的無人駕駛船舶將成為未來船舶發(fā)展的方向。此外，在現(xiàn)代船舶營運(yùn)過程中，單個(gè)船舶難以完成諸如海上探測、偵查等復(fù)雜任務(wù)或者效率不高，因此船舶編隊(duì)在軍事和民用領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用需求。船舶編隊(duì)是指編隊(duì)的船舶保持隊(duì)型，分工獲取周圍環(huán)境信息，進(jìn)行信息融合，準(zhǔn)確感知群體環(huán)境信息，從而保持或變換適當(dāng)?shù)年?duì)形。編隊(duì)航行過程涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、融合、最優(yōu)化、人工智能等問題，目前相關(guān)的理論研究較多，但實(shí)船實(shí)驗(yàn)較少，亟待進(jìn)一步研究。由于真實(shí)實(shí)驗(yàn)受客觀條件的制約，研究船舶編隊(duì)航行相關(guān)理論和技術(shù)需耗費(fèi)較高的成本，且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中可能由于對(duì)船舶缺乏了解或其他不確定因素導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗甚至危險(xiǎn)發(fā)生。因此基于模型船研究編隊(duì)航行控制方法能夠克服實(shí)船實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)帶來的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)船舶編隊(duì)航行控制問題，提供一種基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)結(jié)構(gòu)，降低大型船舶編隊(duì)實(shí)驗(yàn)的難度和成本。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括若干條設(shè)置于模擬航道中的模型船，模擬航道中設(shè)置有模擬環(huán)境因素;其中一條模型船為主船，其它模型船為從船；
主船上設(shè)有主船仿真控制系統(tǒng)，從船上設(shè)有從船仿真控制系統(tǒng)，岸基上設(shè)有定位信息監(jiān)控系統(tǒng)，主船仿真控制系統(tǒng)、從船仿真控制系統(tǒng)和定位信息監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接；
定位信息監(jiān)控系統(tǒng)包括用于捕捉模型船上標(biāo)志燈從而對(duì)所有模型船進(jìn)行圖像識(shí)別定位的岸基攝像頭，和對(duì)岸基攝像頭采集的圖像進(jìn)行識(shí)別處理、得到主、從船定位信息的計(jì)算機(jī)；
主船仿真控制系統(tǒng)用于采集主船的航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，根據(jù)主、從船的航行狀態(tài)和定位信息和模擬環(huán)境因素信息，計(jì)算主船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，控制主船的舵和螺旋槳，并且按預(yù)設(shè)的從船航線與主船航線的關(guān)系確定從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，發(fā)送給從船仿真控制系統(tǒng)；
從船仿真控制系統(tǒng)用于采集從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息給主船仿真控制系統(tǒng)，從主船仿真控制系統(tǒng)接收從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，控制從船的舵和螺旋槳。
[0005]按上述方案，所述的主船仿真控制系統(tǒng)包括主船環(huán)境感知子系統(tǒng)和主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)；其中主船環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集主船的航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息；主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包括主船上位機(jī)、主船下位機(jī)和主船控制機(jī)構(gòu);主船上位機(jī)用于根據(jù)主、從船的航行狀態(tài)和定位信息和模擬環(huán)境因素信息，進(jìn)行航行規(guī)劃，得出主船的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向，建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型，根據(jù)主船的模型船航行狀態(tài)，與主船的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向進(jìn)行比較，得出航線偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型結(jié)合航線偏差、航向偏差及航速偏差，計(jì)算主船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，并且按預(yù)設(shè)的從船航線與主船航線的關(guān)系確定從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令;主船下位機(jī)用于解析主船下一步航行所需的舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成主船的舵機(jī)控制信號(hào)和螺旋槳控制信號(hào)；主船控制機(jī)構(gòu)用于根據(jù)主船下位機(jī)得到的控制信號(hào)控制主船的舵機(jī)和螺旋槳。
[0006]按上述方案，所述的從船仿真控制系統(tǒng)包括從船環(huán)境感知子系統(tǒng)和從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)；其中從船環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息;從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)包括從船上位機(jī)、從船下位機(jī)和從船控制機(jī)構(gòu)；從船上位機(jī)用于接收從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息并發(fā)送給主船仿真控制系統(tǒng)，接收主船仿真控制系統(tǒng)發(fā)送來的從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令;從船下位機(jī)用于解析從船下一步航行所需的舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成從船的舵機(jī)控制信號(hào)和螺旋槳控制信號(hào)；從船控制機(jī)構(gòu)用于根據(jù)從船下位機(jī)得到的控制信號(hào)控制從船的舵機(jī)和螺旋槳。
[0007]按上述方案，所述的主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)和從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)分別還包括遠(yuǎn)程遙控模塊，用于通過遠(yuǎn)程遙控操作進(jìn)行應(yīng)急保護(hù)。
[0008]按上述方案，所述的主船上位機(jī)和從船上位機(jī)還分別包括緊急避碰模塊，用于接收當(dāng)船螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角值、當(dāng)船與障礙物之間的距離值，判斷是否需要緊急避碰，若需緊急避碰，立即生成避碰指令發(fā)送給當(dāng)船下位機(jī)。
[0009]按上述方案，所述的主船環(huán)境感知子系統(tǒng)和從船環(huán)境感知子系統(tǒng)均包括用于識(shí)別當(dāng)船船首和船尾的標(biāo)志燈、用于識(shí)別障礙物的激光雷達(dá)、用于對(duì)障礙物進(jìn)行定位的船載攝像頭。
[0010]本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)航行編隊(duì)結(jié)構(gòu)，將研究成果在模型船上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，降低大型船舶編隊(duì)實(shí)驗(yàn)的難度和成本，為大型船舶編隊(duì)操作控制提供例證，最終為船舶安全編隊(duì)航行完成各種任務(wù)提供重要保障。
[0011]2、在不知曉新型編隊(duì)控制方法在船舶實(shí)際編隊(duì)航行中的運(yùn)行情況的前提下，利用本發(fā)明平臺(tái)進(jìn)行編隊(duì)模擬實(shí)驗(yàn)，操作簡便，系統(tǒng)可控;每條模型船上均設(shè)有運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)，可隨時(shí)選定其中一條為主船，并能夠在試驗(yàn)中修改控制的方法，從而提高試驗(yàn)效果，為實(shí)際大型船舶編隊(duì)操作控制提供數(shù)據(jù)支持。
[0012]3、可以增加編隊(duì)船舶數(shù)量，具有可擴(kuò)展性，為今后開展大型船舶編隊(duì)進(jìn)行航跡控制、海上測量、搜救等工作提供測試支持，實(shí)現(xiàn)了發(fā)明的通用性。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的信息傳遞框架圖。
[0014]圖2是主船、從船環(huán)境感知子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]圖4是從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖5是主船與從船之間的通信方式圖。
[0018]圖中:1-船載攝像頭，2-主船標(biāo)志燈，3-激光雷達(dá)，4-計(jì)算機(jī)，5-岸基攝像頭，6_從船標(biāo)志燈。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020]本發(fā)明提供一種基于模型船的欠驅(qū)動(dòng)無人船編隊(duì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括若干條設(shè)置于模擬航道中的模型船，模擬航道中設(shè)置有模擬環(huán)境因素;其中一條模型船為主船，其它模型船為從船;主船上設(shè)有主船仿真控制系統(tǒng)，從船上設(shè)有從船仿真控制系統(tǒng)，岸基上設(shè)有定位信息監(jiān)控系統(tǒng)，主船仿真控制系統(tǒng)、從船仿真控制系統(tǒng)和定位信息監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接;定位信息監(jiān)控系統(tǒng)包括用于捕捉模型船上標(biāo)志燈從而對(duì)所有模型船進(jìn)行圖像識(shí)別定位的岸基攝像頭，和對(duì)岸基攝像頭采集的圖像進(jìn)行識(shí)別處理、得到主、從船定位信息的計(jì)算機(jī);主船仿真控制系統(tǒng)用于采集主船的航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，根據(jù)主、從船的航行狀態(tài)和定位信息和模擬環(huán)境因素信息，計(jì)算主船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，控制主船的舵和螺旋槳，并且按預(yù)設(shè)的從船航線與主船航線的關(guān)系確定從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，發(fā)送給從船仿真控制系統(tǒng);從船仿真控制系統(tǒng)用于采集從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息給主船仿真控制系統(tǒng)，從主船仿真控制系統(tǒng)接收從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，控制從船的舵和螺旋槳。
[0021 ]優(yōu)選的，所述的主船仿真控制系統(tǒng)包括主船環(huán)境感知子系統(tǒng)和主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)；其中主船環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集主船的航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息；主船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)如圖3所示，包括主船上位機(jī)、主船下位機(jī)和主船控制機(jī)構(gòu)；主船上位機(jī)用于根據(jù)主、從船的航行狀態(tài)和定位信息和模擬環(huán)境因素信息，進(jìn)行航行規(guī)劃，得出主船的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向，建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型，根據(jù)主船的模型船航行狀態(tài)，與主船的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向進(jìn)行比較，得出航線偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型結(jié)合航線偏差、航向偏差及航速偏差，計(jì)算主船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，并且按預(yù)設(shè)的從船航線與主船航線的關(guān)系確定從船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令;主船下位機(jī)用于解析主船下一步航行所需的舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成主船的舵機(jī)控制信號(hào)和螺旋槳控制信號(hào)；主船控制機(jī)構(gòu)用于根據(jù)主船下位機(jī)得到的控制信號(hào)控制主船的舵機(jī)和螺旋槳。
[0022]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的從船仿真控制系統(tǒng)包括從船環(huán)境感知子系統(tǒng)和從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)；其中從船環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息;從船運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)如圖4所示，包括從船上位機(jī)、從船下位機(jī)和從船控制機(jī)構(gòu)；從船上位機(jī)用于接收從船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息并發(fā)送給主船仿真控制系統(tǒng)，接收主