一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置与流程

1.本发明属于海洋监测数据采集技术领域，具体涉及一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置。


背景技术：

2.传统的温盐深仪绞车由液压装置、控制装置、卷轴、缆绳和其它附属件等组成。在海上作业时(假定放置温盐深绞车的母船为动力定位船，保持静止)，绞车将温盐深拖鱼投入海水后，拖鱼依靠自身重力不断下沉，以完成海水温盐深数据剖面测量。但拖鱼下沉时，因受海浪流的影响，缆绳与绞车之间存在相对运动，缆绳的方向和位置不断的改变，这样缆绳与卷轴难以保持一个固定位置。缆绳在持续地收放过程中，极易造成卷轴缆绳不均匀或缆绳打结等情况。传统的温盐深绞车缆绳收放需要人工实时监视以及绞车停车人工纠偏调整。


技术实现要素：

3.本发明针对上述缺陷，提供一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置，通过引入缆绳位置识别系统、包括最优偏差控制器、pid控制器和驱动反馈系统的自动纠偏系统和包括滑动车体、驱动轮和驱动器的自动滑动车等，实时监测缆绳收放运行过程中偏离情况，实现自动控制和调整滑动车，最终实现缆绳与绞车位置保持固定不变，避免出现上述卷轴缆绳不均匀或缆绳打结等情况。
4.本发明提供如下技术方案：一种温盐深绞车自动纠偏方法，包括以下步骤：
5.s1：缆绳位置识别系统照射并采集到温盐深绞车的缆绳的固定点、温盐深绞车的自动滑动车后驱动桥中心点、定义自动滑动车行驶方向与x轴夹角e
θ
为正航向偏差，所述缆绳的固定点沿所述自动滑动车横向至所述x 轴的距离e
d
为横向偏差；
6.s2：假设所述自动滑动车左轮速度v1和左轮运动方向，所述自动滑动车右轮速度v2和右轮速度在时间间隔δt内保持不变；
7.s3：当缆绳由于外界干扰产生距离和方向偏移时，缆绳位置识别系统识别所述缆绳的位置变化，计算得到t时刻与所述缆绳连接的所述自动滑动车的实时正航向偏差e
θ
和实时横向偏差e
d
，所述自动纠偏系统通过计算t 时刻所述左轮速度v1和所述右轮速度v2的速度差δv作为驱动轮差速，其中δv＝v1‑
v2；
8.s4：所述缆绳位置识别系统将计算得到的t时刻实时正航向偏差e
θ
和实时横向偏差e
d
传输至自动纠偏系统中，计算得到横向偏差e
θ
≥0时的最优跟踪轨迹模型，将得到的纠偏策略输送至自动滑动车的驱动器中，所述驱动器控制所述自动滑动车的车轮沿沿圆弧切线过度到理想导引线，完成自动滑动车装置对标绞车卷轴控制，进而最终实现温盐深绞车自动纠偏。
9.进一步地，所述s4步骤包括以下步骤：
10.s41：所述自动纠偏系统中的最优偏差控制器计算得到最佳控制轨迹，作为输入信
号传输至pid控制器中，驱动反馈系统采集t时刻的所述自动滑车不断运动过程中的实时正航向偏差e
′
θ
和实时横向偏差e
′
d
作为反馈信号并传输至所述pid控制器中；
11.s42：将所述反馈信号与所述输入信号比较，得到驱动轮差速δv、驱动轮差速变化率δa；
12.s43：所述pid控制器根据所述s43步骤得到的驱动轮差速δv、驱动轮差速变化率δa以及正航向偏差e
θ
和横向偏差e
d
，在最优偏差状态方程的约束下，建立t+1时刻横向偏差和航向偏差的运动学方程；
13.s44：所述pid控制器构建哈密尔顿最优控制函数h，计算并更新所述自动滑动车与其最优偏差路径之间的纠偏控制轨迹所需的最优控制u以及位姿偏差pid控制器参数a和b，进而得到使所述自动滑动车按最优目标轨迹行驶的最优目标轨迹模型；
14.s45：实时对所述自动滑动车差速纠偏的调节，将所述横向偏差初始值 e
d
和所述正航向偏差初始值e
θ
作为初始量，纠偏目标e
d
＝0、e
θ
＝0作为控制量，代入至所述s44步骤得到的最优目标轨迹模型，实现绞车装置纠偏的最优控制。
15.进一步地，所述s43步骤中的最优偏差状态方程如下：
[0016][0017]
其中，δv
max
为最大允许驱动轮差速，δa
max
为最大允许驱动轮差速变化率，最大允许横向偏差，最大允许正航向偏差。
[0018]
进一步地，所述s43步骤建立的t+1时刻横向偏差和航向偏差的运动学方程如下：
[0019][0020]
其中，e
d
(t)为t时刻的横向偏差，e
θ
(t)为t时刻的正航向偏差。
[0021]
进一步地，所述s44步骤中，pid控制器构建所述哈密尔顿最优控制函数h如下：
[0022][0023]
其中，u＝δv(t)，为纠偏控制轨迹最优的最优控制；δv(t)为t时刻的驱动轮差速δv，δt＝t+1
‑
t，v
c
为最优控制车速，x为目标最优目标轨迹，x＝(e
d
(t)e
θ
(t))
t
；为所述x的一阶导数，λ为待定的二维拉格朗日乘子矢量。
[0024]
进一步地，纠偏控制轨迹所需的最优控制u的计算公式如下：
[0025]
[0026]
其中，为所述λ的一阶导数。
[0027]
进一步地，所述的计算为将所述最优控制u代入至所述哈密尔顿最优控制函数h中，得到具有纠偏控制轨迹所需的所述位姿偏差pid控制器参数 a和b的最优目标轨迹模型：
[0028][0029]
其中，
[0030]
本发明还提供采用上述方法的一种温盐深绞车自动纠偏装置，，包括：缆绳位置识别系统，用于实时监测所述缆绳的位置，并实时将所述缆绳的偏移方向和偏移量传输给自动纠偏系统中的最优偏差控制器；
[0031]
自动纠偏系统，用于所述自动纠偏系统中的最优偏差控制器计算得到最佳控制轨迹实时对所述自动滑动车差速纠偏的调节，将所述横向偏差初始值e
d
和所述正航向偏差初始值e
θ
作为初始量，纠偏目标e
d
＝0、e
θ
＝0作为控制量，代入至所述s44步骤得到的最优目标轨迹模型，实现绞车装置纠偏的最优控制；
[0032]
自动滑动车，包括滑动车体、驱动轮和驱动器，所述驱动器与所述自动纠偏系统通信连接，用于接收所述自动纠偏系统的最优目标轨迹模型命令，实现自动控制和调整，最终调整所述缆绳与所述自动滑动车的位置保持固定不变。
[0033]
进一步地，所述自动纠偏系统包括最优偏差控制器、pid控制器和驱动反馈系统。
[0034]
进一步地，所述缆绳位置识别系统包括红外激光扫描仪和超声波仪。
[0035]
本发明的有益效果为：
[0036]
1、本发明提供的一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置可在缆绳收放系统运行过程中实时监视缆绳收放过程中偏离情况，通过调整自动滑动车实现自动纠偏，从而实现缆绳与绞车保持位置固定不变。
[0037]
2、本发明提供的一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置采用红外激光扫描仪和超声波视听手段，具有不分昼夜、双重备份值守功能，确保自动温盐深仪绞车缆绳定位信息准确。
[0038]
3、本发明提供的一种温盐深绞车自动纠偏方法和装置中，自动纠偏系统基于pid控制算法设计，鲁棒性和适应能力较强，满足绝大多数实际应用需求。
附图说明
[0039]
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0040]
图1为本发明提供的温盐深绞车自动纠偏方法步骤s1中构建的二维坐标系示意图；
[0041]
图2为本发明提供的温盐深绞车自动纠偏方法中自动滑动车的车轮速度在二维坐标系中的示意图；
[0042]
图3为本发明提供的温盐深绞车自动纠偏方法中s4步骤中自动纠偏系统进行计算的流程图；
[0043]
图4为本发明提供的温盐深绞车自动纠偏装置结构示意图。
具体实施方式
[0044][0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
实施例1
[0047]
本实施例提供的一种温盐深绞车自动纠偏方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0048]
s1：如图1所示，缆绳位置识别系统照射并采集到温盐深绞车的缆绳的固定点b、温盐深绞车的自动滑动车后驱动桥中心点c、定义自动滑动车行驶方向与x轴夹角e
θ
为正航向偏差，所述缆绳的固定点b沿所述自动滑动车横向至所述x轴的距离e
d
为横向偏差；
[0049]
s2：如图2所示，假设所述自动滑动车左轮速度v1和左轮运动方向，所述自动滑动车右轮速度v2和右轮速度在极短的时间间隔δt内保持不变；
[0050]
s3：当缆绳由于外界干扰产生距离和方向偏移时，缆绳位置识别系统识别所述缆绳的位置变化，计算得到t时刻与所述缆绳连接的所述自动滑动车的实时正航向偏差e
θ
和实时横向偏差e
d
，所述自动纠偏系统通过计算t 时刻所述左轮速度v1和所述右轮速度v2的速度差δv作为驱动轮差速，其中δv＝v1‑
v2；
[0051]
s4：所述缆绳位置识别系统将计算得到的t时刻实时正航向偏差e
θ
和实时横向偏差e
d
传输至自动纠偏系统中，计算得到横向偏差e
θ
≥0时的最优跟踪轨迹模型，将得到的纠偏策略输送至自动滑动车的驱动器中，所述驱动器控制所述自动滑动车的车轮沿沿圆弧切线过度到理想导引线，完成自动滑动车装置对标绞车卷轴控制，进而最终实现温盐深绞车自动纠偏。
[0052]
如图3所示，s4步骤包括以下步骤：
[0053]
s41：所述自动纠偏系统中的最优偏差控制器计算得到最佳控制轨迹，作为输入信号传输至pid控制器中，驱动反馈系统采集t时刻的所述自动滑车不断运动过程中的实时正航向偏差e
′
θ
和实时横向偏差e
′
d
作为反馈信号p 并传输至所述pid控制器中；
[0054]
s42：将所述反馈信号与所述输入信号比较，得到驱动轮差速δv、驱动轮差速变化率δa；
[0055]
s43：所述pid控制器根据所述s43步骤得到的驱动轮差速δv、驱动轮差速变化率δa以及正航向偏差e
θ
和横向偏差e
d
，在最优偏差状态方程的约束下，建立t+1时刻横向偏差和航向偏差的运动学方程；
[0056]
s44：所述pid控制器构建哈密尔顿最优控制函数h，计算并更新所述自动滑动车与其最优偏差路径之间的纠偏控制轨迹所需的最优控制u以及位姿偏差pid控制器参数a和b，进而得到使所述自动滑动车按最优目标轨迹行驶的最优目标轨迹模型；得到所述横向偏差初始值e
θ
≥0时的各种偏差状态的最优跟踪轨迹，最优偏差控制器选择最优跟踪轨迹，基于
最优偏差控制器的纠偏策略使自动滑动车装置沿圆弧切线过度到理想导引线，很有效地完成自动滑动车装置对标绞车卷轴控制，最终实现温盐深绞车自动纠偏；
[0057]
s45：实时对所述自动滑动车差速纠偏的调节，将所述横向偏差初始值 e
d
和所述正航向偏差初始值e
θ
作为初始量，纠偏目标e
d
＝0、e
θ
＝0作为控制量，代入至所述s44步骤得到的最优目标轨迹模型，实现绞车装置纠偏的最优控制。
[0058]
s43步骤中的最优偏差状态方程如下：
[0059][0060]
其中，δv
max
为最大允许驱动轮差速，δa
max
为最大允许驱动轮差速变化率，最大允许横向偏差，最大允许正航向偏差。
[0061]
s43步骤建立的t+1时刻横向偏差和航向偏差的运动学方程如下：
[0062][0063]
其中，e
d
(t)为t时刻的横向偏差，e
θ
(t)为t时刻的正航向偏差。
[0064]
s44步骤中，pid控制器构建所述哈密尔顿最优控制函数h如下：
[0065][0066]
其中，u＝δv(t)，为纠偏控制轨迹最优的最优控制；δv(t)为t时刻的驱动轮差速δv，δt＝t+1
‑
t，v
c
为最优控制车速，x为目标最优目标轨迹，x＝(e
d
(t)e
θ
(t))
t
；为所述x的一阶导数，λ为待定的二维拉格朗日乘子矢量。
[0067]
s44步骤中，纠偏控制轨迹所需的最优控制u的计算公式如下：
[0068][0069]
其中，为所述λ的一阶导数。
[0070]
s44步骤中，将所述最优控制u代入至所述哈密尔顿最优控制函数h中，得到具有纠偏控制轨迹所需的所述位姿偏差pid控制器参数a和b的最优目标轨迹模型：
[0071]
[0072]
其中，
[0073]
本发明提供的上述温盐深绞自动纠偏方法，可在缆绳收放系统运行过程中通过缆绳位置识别系统，实时监视缆绳收放过程中偏离情况，通过调整自动滑动车实现自动纠偏，从而实现缆绳与绞车保持位置固定不变。其中的自动纠偏系统＝基于pid控制算法设计，鲁棒性和适应能力较强，能够满足绝大多数实际应用需求。
[0074]
实施例2
[0075]
如图4所示，为本发明提供的采用实施例1提供的方法的一种温盐深绞车自动纠偏装置，包括：缆绳位置识别系统，用于实时监测所述缆绳的位置，并实时将所述缆绳的偏移方向和偏移量传输给自动纠偏系统中的最优偏差控制器；
[0076]
自动纠偏系统，用于所述自动纠偏系统中的最优偏差控制器计算得到最佳控制轨迹实时对所述自动滑动车差速纠偏的调节，将所述横向偏差初始值e
d
和所述正航向偏差初始值e
θ
作为初始量，纠偏目标e
d
＝0、e
θ
＝0作为控制量，代入至所述s44步骤得到的最优目标轨迹模型，实现绞车装置纠偏的最优控制；
[0077]
自动滑动车，包括滑动车体、驱动轮和驱动器，所述驱动器与所述自动纠偏系统通信连接，用于接收所述自动纠偏系统的最优目标轨迹模型命令，实现自动控制和调整，最终调整所述缆绳与所述自动滑动车的位置保持固定不变，避免出现卷轴缆绳不均匀或缆绳打结情况。
[0078]
自动纠偏系统包括最优偏差控制器、pid控制器和驱动反馈系统。
[0079]
缆绳位置识别系统包括红外激光扫描仪和超声波仪。具有不分昼夜、双重备份值守的功能。
[0080]
本发明通过引入缆绳位置识别系统、包括最优偏差控制器、pid控制器和驱动反馈系统的自动纠偏系统和包括滑动车体、驱动轮和驱动系统的自动滑动车等，实时监测缆绳收放运行过程中偏离情况，实现自动控制和调整滑动车，最终实现缆绳与绞车位置保持固定不变，避免出现上述卷轴缆绳不均匀或缆绳打结等情况。
[0081]
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
[0082]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0083]
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0084]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的
存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0085]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd
‑
rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0086]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0087]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0088]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
[0089]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。