專利名稱：一種實驗型無人水面船的控制結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶自動控制領(lǐng)域，具體為ー種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
無人水面船的運動控制是目前國際控制領(lǐng)域研究的熱點問題之一，研究內(nèi)容涉及點鎮(zhèn)定、軌跡跟蹤、航路點跟蹤、路徑跟蹤、編隊協(xié)同 等，具有重要的理論研究和工程應(yīng)用價值。水上實驗是無人水面船的運動控制研究的重要步驟，其目的是驗證控制算法的有效性，并對算法的工程應(yīng)用價值進行檢驗。傳統(tǒng)的無人船采用預(yù)編程自主控制模式，即從岸上控制器向無人水面船發(fā)送控制指令，包括航行速度、航路任務(wù)、控制參數(shù)等，由船上控制器依據(jù)傳感器系統(tǒng)采集到的無人水面船運動參數(shù)，包括經(jīng)緯度、速度、航向角等，完成運動控制解算后驅(qū)動推進器、舵機等執(zhí)行機構(gòu)。預(yù)編程自主控制模式的優(yōu)點是自主性強，運動過程中通信量少，但運動控制算法完全由船上控制器實現(xiàn)，當需要修改運動控制算法時需要重新中斷實驗，將船上控制計算機與軟件開發(fā)上位機連接以完成軟件的編譯和下載，這在實驗過程中實施較為困難，尤其是野外實驗，這對于需要頻繁修改控制算法的驗證實驗來說是難以接受的。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的難以快捷地修改運動控制算法的問題，本發(fā)明提出了ー種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)。技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為所述ー種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)，包括岸上模塊、船上模塊、導(dǎo)航傳感器和船體推進與操縱機構(gòu)，其特征在干岸上模塊包括岸上通信模塊、航行參數(shù)顯示模塊、運動控制模塊和任務(wù)規(guī)劃模塊；船上模塊包括船上通信模塊、數(shù)據(jù)采集接收模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊；任務(wù)規(guī)劃模塊將任務(wù)指令通過運動控制模塊轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動指令后，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體運動；船體運動后，由數(shù)據(jù)采集接收模塊按設(shè)定的控制周期采集導(dǎo)航傳感器測得的船體運動參數(shù)信息，船上通信模塊將船體運動參數(shù)信息傳遞到岸上通信模塊，由航行參數(shù)顯示模塊將船體運動參數(shù)信息顯示，由運動控制模塊根據(jù)船體運動參數(shù)信息進行無人船的運動控制解算，得到船體運動的驅(qū)動指令，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體按照控制要求運動。所述ー種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于船上通信模塊與岸上通信模塊采用半雙エ無線通信方式連接。
有益效果本發(fā)明的優(yōu)點是，無人水面船的船上控制計算機僅完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和無人水面船推進器和舵機的驅(qū)動，其功能完全由無人水面船的硬件系統(tǒng)決定，不需做任何修改。而岸上控制計算機則實現(xiàn)無人水面船的運動控制功能，實驗過程中僅需修改岸上控制軟件即可完成運動控制算法的修改和驗證，而不需修改船上控制軟件，便于開展無人水面船的運動控制實驗研究。


圖I :本發(fā)明的無人水面船控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖2 :實施例的控制系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例描述本發(fā)明無人水面船載體本身可根據(jù)不同航行控制實驗需求進行設(shè)計制造或選用已有型號，實施例中采用河南新舟游艇公司制造的単體游艇模型。實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)包括岸上模塊、船上模塊、導(dǎo)航傳感器和船體推進與操縱機構(gòu)。岸上模塊包括岸上通信模塊、航行參數(shù)顯示模塊、運動控制模塊和任務(wù)規(guī)劃模塊；船上模塊包括船上通信模塊、數(shù)據(jù)采集接收模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊。岸上模塊的控制計算機采用聯(lián)想ThinkPad X61筆記本電腦，通信模塊采用美國Digi公司的XStream數(shù)傳電臺模塊，控制計算機通過USB-RS232轉(zhuǎn)換器與通信模塊的串ロ連接，運動控制軟件采用Microsoft Studio 2008集成開發(fā)軟件編譯,控制算法包括航路點跟蹤和路徑跟蹤控制。船上模塊的控制計算機由PC104嵌入式エ控機構(gòu)成，其中CPU模塊采用深圳盛博科技有限公司的DX486模塊，具有4個RS232串行通信接ロ，DA轉(zhuǎn)換模塊采用美國Diamond公司的DMM16-AT模塊。無人水面船運動傳感器采用荷蘭Xsens Technologies B. V.公司的MTi微型方位姿態(tài)參考系統(tǒng)，通過COM3串行通信端ロ與DX486模塊連接，GPS接收機采用北京星網(wǎng)宇達科技開發(fā)有限公司自主開發(fā)的的XWGPS1000型高精度動態(tài)接收機，通過COM2串行通信端ロ與DX486模塊連接。無人水面船執(zhí)行機構(gòu)采用尾部安裝的兩臺型直流螺旋槳推進器，型號為美國Tecnadyne公司生產(chǎn)的MODEL 520型推進器，該推進器采用模擬電壓控制轉(zhuǎn)速，左右推進器分別由DMM16-AT模塊DoutO和Doutl模擬量輸出端ロ控制。本實施例中將無人船的運動控制模塊由傳統(tǒng)的置于船上控制計算機改到置于岸上控制計算機，從而由岸上控制計算機完成無人船的運動控制，依據(jù)航行任務(wù)直接產(chǎn)生船上推進與操縱機構(gòu)的驅(qū)動指令。操作人員在岸上控制計算機完成航行任務(wù)制定后，任務(wù)規(guī)劃模塊將任務(wù)指令通過運動控制模塊轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動指令后，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體開始航行。船體航行后，由數(shù)據(jù)采集接收模塊按設(shè)定的控制周期采集導(dǎo)航傳感器測得的船體運動參數(shù)信息，并按照規(guī)定好的協(xié)議由船上通信模塊將船體運動參數(shù)信息傳遞到岸上通信模塊，由航行參數(shù)顯示模塊將船體運動參數(shù)信息顯示，供操作人員對運動狀態(tài)進行監(jiān)控，并由運動控制模塊根據(jù)船體運動參數(shù)信息進行無人船的運動控制解算，得到船體運動的驅(qū)動指令，由岸上通信模塊按照相應(yīng)的協(xié)議將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體按照控制要求運動。船上控制器與岸上控制器之間的無線通信協(xié)議定義如下。(I)船上控制器向岸上控制器發(fā)送運動狀態(tài)信息，由字符串構(gòu)成，具體包括經(jīng)諱度信息-*P0S, +ddd, mm, ss. s, +dd, mm, ss. s, V/A, X~,其中，*、' 分別為字符
串的頭字符和尾字符，POS為關(guān)鍵詞，+ddd, mm, ss. s為經(jīng)度的度、分、秒值，+dd, mm, ss. s為緯度的度、分、秒值，V/A表示GPS信息是否有效，A表示有效，V表示無效，X為校驗字符，為前面除*外的所有字符累加和。航速信息——*SPD，ss. ss, X~，其中，*、·'分別為字符串的頭字符和尾字符，SPD為 關(guān)鍵詞，ss. SS為速度值，X為校驗字符,為前面除*外的所有字符累加和。航向信息——*PSI，ppp.pp，X~，其中，*、~分別為字符串的頭字符和尾字符，PSI為關(guān)鍵詞，PPP · PP為航向角值，X為校驗字符，為前面除*外的所有字符累加和。(2)岸上控制器向船上控制器發(fā)送驅(qū)動指令，由字符串構(gòu)成，具體包括開始航行指令——*STR，X~，其中，*、·'分別為字符串的頭字符和尾字符，STR為關(guān)鍵詞。停止航行命令——*STP，X~，其中，*、■'分別為字符串的頭字符和尾字符，STP為關(guān)鍵詞。電機驅(qū)動指令——*THR, I. 11，r. rr, X~，*、■'分別為字符串的頭字符和尾字符，THR為關(guān)鍵詞，I. 11為左推進器電壓，r. rr為右推進器電壓。 無人水面船在航行過程中，船上PC104控制計算機以O(shè). I秒為控制周期，采集來自MTi方位姿態(tài)參考系統(tǒng)和GPS接收機的數(shù)據(jù)，從中提取船體的經(jīng)緯度、航行速度、航向角等信息，然后按照規(guī)定的協(xié)議，通過船上XStream數(shù)傳電臺通過無線通信發(fā)送給岸上XStream數(shù)傳電臺，經(jīng)USB-RS232轉(zhuǎn)換器后由控制計算機接收，控制計算機上運行無人水面船控制軟件，實現(xiàn)各種運動控制算法，由研究人員編制，本實施例中包含了路徑跟蹤控制、航路點跟蹤控制等算法，控制解算得到無人水面船的左右推進器驅(qū)動電壓，按照電機驅(qū)動指令通信協(xié)議，通過岸上XStream數(shù)傳電臺通過無線通信發(fā)送給船上XStream數(shù)傳電臺后，由船上PC104控制計算機接收，DMM16-AT模塊完成DA轉(zhuǎn)換后通過DoutO和Doutl模擬量輸出端ロ輸出給左右推進電機控制器，分別驅(qū)動左右推進電機的轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.一種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)，包括岸上模塊、船上模塊、導(dǎo)航傳感器和船體推進與操縱機構(gòu)，其特征在干岸上模塊包括岸上通信模塊、航行參數(shù)顯示模塊、運動控制模塊和任務(wù)規(guī)劃模塊；船上模塊包括船上通信模塊、數(shù)據(jù)采集接收模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊；任務(wù)規(guī)劃模塊將任務(wù)指令通過運動控制模塊轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動指令后，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體運動；船體運動后，由數(shù)據(jù)采集接收模塊按設(shè)定的控制周期采集導(dǎo)航傳感器測得的船體運動參數(shù)信息，船上通信模塊將船體運動參數(shù)信息傳遞到岸上通信模塊，由航行參數(shù)顯示模塊將船體運動參數(shù)信息顯示，由運動控制模塊根據(jù)船體運動參數(shù)信息進行無人船的運動控制解算，得到船體運動的驅(qū)動指令，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞給執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體按照控制要求運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)，其特征在于船上通信模塊與岸上通信模塊采用半雙エ無線通信方式連接。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種實驗型無人船的控制結(jié)構(gòu)，包括岸上模塊、船上模塊、導(dǎo)航傳感器和船體推進與操縱機構(gòu)；由數(shù)據(jù)采集接收模塊按設(shè)定的控制周期采集導(dǎo)航傳感器測得的船體運動參數(shù)信息，船上通信模塊將船體運動參數(shù)信息傳遞到岸上通信模塊，由航行參數(shù)顯示模塊將船體運動參數(shù)信息顯示，由運動控制模塊根據(jù)船體運動參數(shù)信息進行運動控制解算，得到船體運動的驅(qū)動指令，由岸上通信模塊將驅(qū)動指令傳遞到船上通信模塊，并由船上通信模塊傳遞執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊，控制船體推進與操縱機構(gòu)驅(qū)動船體按照控制要求運動。本發(fā)明實驗過程中僅需修改岸上控制軟件即可完成運動控制算法的修改和驗證，而不需修改船上控制軟件，便于開展無人水面船的運動控制實驗研究。
文檔編號G05D1/02GK102692924SQ20121014392
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者嚴衛(wèi)生, 劉明雍, 崔榮鑫, 張福斌, 張立川, 彭星光, 王銀濤, 高劍 申請人:西北工業(yè)大學(xué)