基于模型船的欠驅(qū)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)及方法
【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)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，船舶數(shù)量和運輸量不斷增大，船舶的航行安全與節(jié)能問題受到愈來愈多的關(guān)注。隨著船舶綜合船橋系統(tǒng)、自動導(dǎo)航系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展，船舶智能化水平不斷提升，無人駕駛船舶成為未來船舶發(fā)展的必然趨勢。無人駕駛船舶能有效減少人力成本，降低船舶事故發(fā)生概率，以及提升船舶營運效率。
[0003]自主航行技術(shù)是船舶實現(xiàn)無人駕駛的重要保證。船舶自主航行具體是指船舶在獲取航行目的地后，在完全沒有人參與情況下，夠自主感知周圍環(huán)境信息，自主設(shè)計航線，并自主操縱船舶按照預(yù)設(shè)航線航行的過程。自主航行過程涉及復(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)的理論和方法還不夠完善，亟待進一步研究。但真實實驗因受客觀條件的制約，研究自主航行相關(guān)理論和技術(shù)需耗費較高的成本，且實驗驗證過程中可能由于對船舶缺乏了解或其他不確定因素導(dǎo)致實驗失敗甚至危險發(fā)生。
[0004]隨著計算機和仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真實驗已成為進行真實實驗前的一種必要的研究手段。由于計算機仿真或半實物仿真過程中的部分數(shù)據(jù)和環(huán)境是由計算機生成，很難保證真實環(huán)境下的一致性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決當(dāng)前直接對大型船舶進行控制實驗困難的問題，本發(fā)明提供一種基于模型船的欠驅(qū)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)及方法。
[0006]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)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)，其特征在于:該仿真系統(tǒng)整體設(shè)置在模型船上，模型船設(shè)置于模擬航道中，模擬航道中設(shè)置有模擬環(huán)境因素；
該仿真系統(tǒng)包括環(huán)境感知子系統(tǒng)、路徑規(guī)劃子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng);其中環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，并分別發(fā)送給路徑規(guī)劃子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng)；
路徑規(guī)劃子系統(tǒng)用于根據(jù)模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，進行航行規(guī)劃，得出跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向，發(fā)送給運動控制子系統(tǒng)；
運動控制子系統(tǒng)包括上位機、下位機和控制機構(gòu)；上位機用于建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型，根據(jù)環(huán)境感知子系統(tǒng)得到的模型船航行狀態(tài)，與路徑規(guī)劃子系統(tǒng)得到的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向進行比較，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，計算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令;下位機用于解析舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成舵機控制信號和螺旋槳控制信號;控制機構(gòu)用于根據(jù)舵機控制信號和螺旋槳控制信號控制舵機和螺旋槳。
[0007]按上述系統(tǒng)，所述的運動控制子系統(tǒng)還包括遠程遙控模塊，用于通過遠程遙控操作進行應(yīng)急保護。
[0008]按上述系統(tǒng)，所述的上位機還包括緊急避碰模塊，用于接收螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角值、模型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)送給下位機，若無需避碰，則將結(jié)果傳入航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型。
[0009]按上述系統(tǒng)，所述的環(huán)境感知子系統(tǒng)包括用于識別模型船船首和船尾的標志燈、用于測量模型船與距離其周圍一定范圍內(nèi)障礙物之間距離的距離傳感器、用于識別障礙物的激光雷達、用于對障礙物進行定位的船載攝像頭;環(huán)境感知子系統(tǒng)還包括設(shè)置在岸基用于捕捉標志燈從而對模型船進行圖像識別定位的岸基單目攝像頭。
[0010]按上述系統(tǒng)，所述的路徑規(guī)劃子系統(tǒng)運用人工勢能場算法計算障礙物對在航模型船的影響范圍，再利用A*算法進行路徑規(guī)劃。
[0011]利用上述基于模型船的欠驅(qū)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)實現(xiàn)的仿真方法，其特征在于:它包括以下步驟:
51、環(huán)境感知:
采集模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息；
52、規(guī)劃路徑:
根據(jù)模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，進行航行規(guī)劃，得出跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向；
53、運動控制:
3.1、建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型；
3.2、根據(jù)模型船航行狀態(tài)，與跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向進行比較，得出航線偏差、航向偏差及航速偏差；
3.3、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，計算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令；
3.4、解析舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成舵機控制信號和螺旋槳控制信號，控制舵機和螺旋槳。
[0012]按上述方法，所述的S3還包括遠程遙控步驟，通過遠程遙控操作進行應(yīng)急保護。
[0013]按上述方法，所述的S3還包括緊急避碰步驟，接收螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角值、模型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)送給下位機，若無需避碰，則將結(jié)果傳入航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型。
[0014]按上述方法，所述的SI具體包括:在模型船船首和船尾分別設(shè)置標志燈;在岸基設(shè)置岸基單目攝像頭用于捕捉標志燈從而對模型船進行圖像識別定位;測量模型船與距離其周圍一定范圍內(nèi)障礙物之間距離;識別障礙物并對障礙物進行定位。
[0015]按上述方法，所述的S2運用人工勢能場算法計算障礙物對在航模型船的影響范圍，再利用A*算法進行路徑規(guī)劃。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:
1、本發(fā)明設(shè)計了一種基于模型船的欠驅(qū)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)及方法，將研究成果在模型船上進行仿真實驗，為大型船舶操作控制實驗提供例證，最終為內(nèi)河大型船舶安全航行提供重要保障，該系統(tǒng)和方法降低大型船舶實驗的難度和成本。
[0017]2、通過補充遠程遙控、緊急避碰等模塊和步驟，進一步提高了自主航行的安全性和可靠性，并且，該系統(tǒng)和方法能夠兼容性的在上位機補入其它各種控制測試系統(tǒng)或方法，為今后開展大型船舶軌跡跟蹤控制、航跡控制、魯棒控制等提供測試平臺支持，實現(xiàn)了發(fā)明的通用性。
[0018]3、通過對環(huán)境感知、路徑規(guī)劃子系統(tǒng)進一步的細化，提高整個仿真系統(tǒng)的仿真性能和精確度。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明一實施例的信息傳遞框架圖。
[0020]圖2是環(huán)境感知子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021 ]圖3是路徑規(guī)劃子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖4是運動控制子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖5是本發(fā)明一實施例的通信方式圖。
[0024]圖中:1、超聲波傳感器，2、標志燈，3、激光雷達，4、船載攝像頭，5、岸基單目攝像頭。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細的說明。
[0026]本發(fā)明提供一種基于模型船的欠驅(qū)動無人船自主航行控制仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)整體設(shè)置在模型船上，模型船設(shè)置于模擬航道中，模擬航道中設(shè)置有模擬環(huán)境因素;如圖1所示，該仿真系統(tǒng)包括環(huán)境感知子系統(tǒng)、路徑規(guī)劃子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng);其中環(huán)境感知子系統(tǒng)用于采集模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，并分別發(fā)送給路徑規(guī)劃子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng);路徑規(guī)劃子系統(tǒng)用于根據(jù)模型船航行狀態(tài)和模擬環(huán)境因素信息，進行航行規(guī)劃，得出跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向，發(fā)送給運動控制子系統(tǒng);運動控制子系統(tǒng)如圖4所示，包括上位機、下位機和控制機構(gòu);上位機(本實施例中選用計算機作為上位機)用于建立航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型，根據(jù)環(huán)境感知子系統(tǒng)得到的模型船航行狀態(tài)，與路徑規(guī)劃子系統(tǒng)得到的跟蹤航線、設(shè)定航速及設(shè)定航向進行比較，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，計算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速指令;下位機(本實施例中選用電路板為下位機)用于解析舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速指令，生成舵機控制信號和螺旋槳控制信號;控制機構(gòu)用于根據(jù)舵機控制信號和螺旋槳控制信號控制舵機和螺旋槳(本實施例中包括驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)為螺旋槳電動機和舵機，執(zhí)行機構(gòu)包括螺旋槳和舵)。
[0027]所述的運動控制子系統(tǒng)還包括遠程遙控模塊，用于通過遠程遙控操作進行應(yīng)急保護。
[0028]所述的上位機還包括緊急避碰模塊，用于接收螺旋槳轉(zhuǎn)速、舵角值、模型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)送給下位機，若無需避碰，則將結(jié)果傳入航向跟蹤模型和軌跡跟蹤模型。
[0029]所述的環(huán)境感知子系統(tǒng)如圖2所示，包括用于識別模型船船首和船尾的標志燈2、用于測量模型船與距離其周圍一定范圍內(nèi)障礙物之間距離的距離傳感器(本實施例中選用超聲波傳感器I)、用于識別障礙物的激光雷達3、用于對障礙物進行定位的船載攝像頭4;環(huán)境感知子系統(tǒng)還包括設(shè)置在岸基用于捕捉標志燈從而對模型船進行圖像識別定位的岸基單目攝像頭5。本實施例中，所述的2個標志燈分別安裝在船尾和船首，兩個標志燈的形狀均為球形，且顏色不同，一個藍燈、一個綠燈，