面向无人艇编队的智能控制系统及控制方法与流程

本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种面向无人艇编队的智能控制系统及控制方法。

背景技术：

无人水面艇是一种可以在开阔水域环境中自主航行，并根据功能设计完成相应任务的智能无人水面航行器。因其模块化、智能化、无人化等特点，无人艇的主要作用在于执行较高危险性的任务，或者到达人不适宜接近的区域，在军用和民用领域都具有广泛的应用。军事方面，无人艇在装备高精度的导航设备，或者火炮武器后可以为大型舰艇护航，并且由于其机动性较强，还可以为大型舰艇提供预警信息；民用方面，无人艇可以用于应急救援以及对海洋、气象状况采样监测，并实时发布监测信息，为出海作业提供准确的海上环境情况，极大地提高了安全性。

对于执行这些任务的单个无人艇来说，往往存在负载能力低、信息处理能力弱、覆盖范围小等缺点，不利于无人艇技术的进一步发展。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向无人艇编队的智能控制系统及控制方法，该智能控制系统由岸基监控系统、跟随艇系统、领航艇系统和无线通讯系统组成。无人艇编队由多艘无人艇组成，设定为“领导者-跟随者”编队运动模式，其中一艘艇作为领航艇，其余艇作为跟随艇。对于领航艇，按照设定路径进行航行。对于跟随艇系统控制跟随艇按照与领航艇形成设定的“领导者-跟随者”编队模式运动。对于岸基监控系统，主要用于控制无人艇运动与显示无人艇航迹。无线通讯系统，用于在领航艇系统、跟随艇系统与岸基监控系统之间信息传输。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种面向无人艇编队的智能控制系统，其特征在于：它包括岸基监控系统、跟随艇系统、领航艇系统和无线通讯系统，岸基监控系统包括无人艇编队航迹显示系统、领航艇运动控制系统和跟随艇运动控制系统，所述跟随艇系统包括嵌入式控制系统、跟随艇导航定位系统和跟随艇运动执行系统，所述领航艇系统包括控制系统、领航艇导航定位系统和领航艇运动执行系统，所述无人艇编队航迹显示系统、领航艇运动控制系统、跟随艇运动控制系统、嵌入式控制系统、跟随艇导航定位系统、跟随艇运动执行系统、控制系统、领航艇导航定位系统和领航艇运动执行系统的数据通信端均接入无线通讯系统的通信接口；

所述无人艇编队航迹显示系统用于接收无人艇编队中各个无人艇的位置和艏向信息，从而显示各个无人艇的运动轨迹；

所述领航艇运动控制系统用于给领航艇发送设定路径；

所述跟随艇运动控制系统具有应急遥控模式和智能跟踪模式，各个无人艇可以自主航行时，跟随艇采用智能跟踪模式，自主按预设的编队队形跟随领航艇，在无人艇编队中有一个无人艇无法自主航行时，可采用应急遥控模式，人为遥控跟随艇；

所述领航艇导航定位系统用于获取领航艇自身实时位置和艏向信息；

控制系统用于根据获取的领航艇实时位置和艏向信息，以及领航艇运动控制系统输送的设定路径，通过循迹算法得到领航艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线的转换算法转化为领航艇电机的转速和舵机的转角；

领航艇运动执行系统按照控制系统计算出转速和转角，驱动领航艇电机和舵机的运转，从而驱使领航艇沿设定路径航行；

所述跟随艇导航定位系统用于获取当前跟随艇自身实时位置和艏向信息；

所述嵌入式控制系统用于根据获取的当前跟随艇的实时位置和艏向信息，采用智能跟踪模式按设定的跟随编队队形生成领航艇跟踪控制指令，对领航艇跟踪控制指令通过循迹算法得到当前跟随艇所需要的推力与转动力矩，并通过转换算法转化为当前跟随艇电机的转速和舵机的转角；

所述跟随艇运动执行系统按照嵌入式控制系统计算出转速和转角，驱动当前跟随艇的电机和舵机的运转，从而驱使跟随艇运动，形成设定的编队形式。

一种上所述系统的无人艇编队的智能控制方法，它包括如下步骤：

步骤1：领航艇运动控制系统通过无线通讯系统向领航艇系统的控制系统发送设定路径；

步骤2：领航艇导航定位系统获取领航艇自身实时位置和艏向信息；

控制系统根据获取的领航艇实时位置和艏向信息，以及领航艇运动控制系统输送的设定路径，通过循迹算法得到领航艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线的转换算法转化为领航艇电机的转速和舵机的转角；

领航艇运动执行系统按照控制系统计算出转速和转角，驱动领航艇电机和舵机的运转，从而驱使领航艇沿设定路径航行；

步骤3：所述跟随艇运动控制系统具有应急遥控模式和智能跟踪模式，各个无人艇可以自主航行时，跟随艇采用智能跟踪模式，自主按预设的编队队形跟随领航艇，此时跟随艇运动控制系统向跟随艇系统发送跟随艇智能跟踪模式指令，进入步骤4，在无人艇编队中有一个无人艇无法自主航行时，可采用应急遥控模式，人为遥控跟随艇；

步骤4：在跟随艇智能跟踪模式下，所述跟随艇导航定位系统获取当前跟随艇自身实时位置和艏向信息；

所述嵌入式控制系统根据获取的当前跟随艇的实时位置和艏向信息，采用智能跟踪模式按设定的跟随编队队形生成领航艇跟踪控制指令，对领航艇跟踪控制指令通过循迹算法得到当前跟随艇所需要的推力与转动力矩，并通过转换算法转化为当前跟随艇电机的转速和舵机的转角；

所述跟随艇运动执行系统按照嵌入式控制系统计算出转速和转角，驱动当前跟随艇的电机和舵机的运转，从而驱使跟随艇运动，形成设定的编队形式。

本发明的工作原理如下：

当派出多艘无人艇执行任务时，需要无人艇按设定的编队形式航行。首先由岸基监控平台中的领航艇运动控制系统通过无线通讯系统向领航艇发送设定路径。领航艇接收到信息后，控制系统通行循迹算法得到领航艇所需的推力和力矩，转化为电机的转速和舵机的转角，将其传输给运动系统，从而控制领航艇沿设定路径航行。同时，自身的导航定位系统获取实时位置和艏向信息传输给控制系统，通过无线通讯系统发送给岸基监控系统和跟随艇系统。

对于跟随艇，正常航行时，岸基监控平台中的跟随艇运动控制系统发送跟随艇的航行模式为智能跟踪模式。跟随艇通过无线通讯系统获取领航位置和艏向信息以及通过导航定位系统获取自身的实时位置和艏向信息，传输给嵌入式控制系统，通过控制算法得到跟随艇所需的推力和力矩，转化为电机的转速和舵机的转角，传输给运动系统，从而控制跟随艇按照与领航艇形成设定的编队模式运动。同时嵌入式控制系统将自身的位置和艏向信息通过无线通讯系统发送给岸基监控系统。在遇到紧急情况时，跟随艇无法自主航行，岸基平台发送跟随艇的航行模式为应急遥控模式。此时可通过岸基平台直接发送跟随艇所需的推力和力矩，从而人为遥控跟随艇。

当岸基监控平台接收到领航艇和跟随艇的位置和艏向信息，由岸基监控平台中的无人艇编队航迹显示系统显示编队航迹，实时监控无人艇运动。

本发明的有益效果为：

1、本发明可智能控制无人艇，根据领航艇的位置和艏向信息和跟随艇的位置和艏向信息，使跟随艇自主与领航艇形成设定的编队。

2、本发明中建立岸基监控系统，通过无线通讯系统，控制和观察无人艇航行，使对无人艇的控制和观察更加直观化。

3、本发明中跟随艇可进行应急遥控和智能跟踪模式的切换，从而提高无人艇的安全性。

附图说明

图1为无人艇编队智能控制系统构架图；

图2为无人艇编队智能控制系统原理图；

图3为系统控制流程图；

图4为编队运动几何关系图；

图5为编队结构形式示意图；

图6为图3中控制模块的控制流程图。

图4中，G1表示领航艇，G2表示跟随艇，在固定坐标系XOY下，两艇的位置和艏向分别为(x1,y1,ψ1)^T、(x2,y2,ψ2)^T，T表示矩阵的转置，在领航艇上建立随艇坐标系xoy下，两艇的纵向偏差为Δx，横向偏差为Δy。

图5中，ρ0为两艇纵向距离，ρ1为横向距离，同时在运动过程中要保持相同艏向θ。

其中，1—岸基监控系统、11—无人艇编队航迹显示系统、12—领航艇运动控制系统、13—跟随艇运动控制系统、2—跟随艇系统、21—嵌入式控制系统、22—跟随艇导航定位系统、23—跟随艇运动执行系统、3—领航艇系统、31—控制系统、32—领航艇导航定位系统、33—领航艇运动执行系统、4—无线通讯系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明所设计的面向无人艇编队的智能控制系统，如图1～6所示，它包括岸基监控系统1、跟随艇系统2、领航艇系统3和无线通讯系统4，岸基监控系统1包括无人艇编队航迹显示系统11、领航艇运动控制系统12和跟随艇运动控制系统13，所述跟随艇系统2包括嵌入式控制系统21、跟随艇导航定位系统22和跟随艇运动执行系统23，所述领航艇系统3包括控制系统31、领航艇导航定位系统32和领航艇运动执行系统33，所述无人艇编队航迹显示系统11、领航艇运动控制系统12、跟随艇运动控制系统13、嵌入式控制系统21、跟随艇导航定位系统22、跟随艇运动执行系统23、控制系统31、领航艇导航定位系统32和领航艇运动执行系统33的数据通信端均接入无线通讯系统4的通信接口；

所述无人艇编队航迹显示系统11用于接收无人艇编队中各个无人艇的位置和艏向信息，从而显示各个无人艇的运动轨迹；

所述领航艇运动控制系统12用于给领航艇发送设定路径，使领航艇完成设定任务；

所述跟随艇运动控制系统13具有应急遥控模式和智能跟踪模式，各个无人艇可以自主航行时，跟随艇采用智能跟踪模式，自主按预设的编队队形跟随领航艇，遇到紧急情况，在无人艇编队中有一个无人艇无法自主航行时，可采用应急遥控模式，人为遥控跟随艇；在应急遥控模式下，此时跟随艇直接接收所需的推力和力矩，从而按照操作者意图航行；同时通过无线通讯系统嵌入式控制系统将跟随艇的位置和艏向信息发送给岸基监控系统。

所述领航艇导航定位系统32用于获取领航艇自身实时位置和艏向信息；

控制系统31用于根据获取的领航艇实时位置和艏向信息，以及领航艇运动控制系统12输送的设定路径，通过循迹算法得到领航艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线的转换算法转化为领航艇电机的转速和舵机的转角；

领航艇运动执行系统33按照控制系统31计算出转速和转角，驱动领航艇电机和舵机的运转，从而驱使领航艇沿设定路径航行；

所述跟随艇导航定位系统22用于获取当前跟随艇精准的自身实时位置和艏向信息；

所述嵌入式控制系统21用于根据获取的当前跟随艇的实时位置和艏向信息，采用智能跟踪模式按设定的跟随编队队形生成领航艇跟踪控制指令，对领航艇跟踪控制指令通过循迹算法得到当前跟随艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线的转换算法转化为当前跟随艇电机的转速和舵机的转角；

所述跟随艇运动执行系统23按照嵌入式控制系统21计算出转速和转角，驱动当前跟随艇的电机和舵机的运转，从而驱使跟随艇运动，形成设定的编队形式。

上述技术方案中，在跟随艇处于智能跟踪模式下，跟随艇的整体控制流程如下：

嵌入式控制系统21通过跟随艇导航定位系统22获得跟随艇的实时位置和艏向信息，通过领航艇导航定位系统32获得领航艇的实时位置和艏向信息，嵌入式控制系统21的数据处理模块通过对跟随艇实时位置进行微分得到跟随艇航行速度，嵌入式控制系统21中的数据处理模块将估算的跟随艇航行速度传输给嵌入式控制系统21的控制模块，该控制模块首先建立固定坐标系XOY，即北东坐标系和随艇坐标系xoy，所述固定坐标系XOY用于描述无人艇位置和方向，所述随艇坐标系xoy用于描述无人艇的速度，然后计算(通过位置几何关系计算，见图4，速度偏差,就是速度相减)在随艇坐标系xoy下的跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy、艏向偏差Δψ、以及速度偏差Δυ，并将跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy转化到固定坐标系XOY下，然后设定跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy的期望值(期望值为经验参数)，即编队队形相对值纵向偏差为ρ0，横向偏差为ρ1，艏向保持一致，通过跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、纵向偏差Δx的期望值和速度偏差Δυ来通过增量式PID(比例积分微分)控制方法计算当前跟随艇所需要的推力，通过跟随艇相对领航艇的横向偏差Δy、横向偏差Δy的期望值和艏向偏差Δψ通过增量式PID控制方法计算随艇所需要的转动力矩。

上述技术方案中，嵌入式控制系统21中的数据处理模块包括数据预处理器和滤波器，数据预处理器用于将跟随艇实时位置和艏向信息进行野值剔除、时间对准及空间对准处理，然后对数据预处理之后的跟随艇实时位置和艏向信息进行滤波处理，滤除干扰信号。

上述技术方案中，所述无线通讯系统4用于岸基监控系统1、跟随艇系统2、领航艇系统3之间的信息传输；无线通讯系统4用于嵌入式控制系统21、跟随艇导航定位系统22和跟随艇运动执行系统23之间的信息传输；无线通讯系统4还用于控制系统31、领航艇导航定位系统32和领航艇运动执行系统33之间的信息传输。

上述技术方案中，所述岸基监控系统1采用图形用户界面设计。上述嵌入式控制系统21采用嵌入式ARM9开发板。领航艇导航定位系统32采用高精度的惯性导航设备和差分GPS，跟随艇导航定位系统22采用低精度的惯性导航设备和GPS，在满足功能的情况下以节约设备成本。无人艇采用双桨双舵设备，以提高无人艇的操纵性能。无线通讯系统采用无线电台设备，其主要优点在于传输距离远，传输信号稳定。

一种上述系统的无人艇编队的智能控制方法，它包括如下步骤：

步骤1：领航艇运动控制系统12通过无线通讯系统4向领航艇系统3的控制系统31发送设定路径；

步骤2：领航艇导航定位系统32获取领航艇自身实时位置和艏向信息；

控制系统31根据获取的领航艇实时位置和艏向信息，以及领航艇运动控制系统12输送的设定路径，通过循迹算法得到领航艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线的转换算法转化为领航艇电机的转速和舵机的转角；

领航艇运动执行系统33按照控制系统31计算出转速和转角，驱动领航艇电机和舵机的运转，从而驱使领航艇沿设定路径航行；

步骤3：所述跟随艇运动控制系统13具有应急遥控模式和智能跟踪模式，各个无人艇可以自主航行时，跟随艇采用智能跟踪模式，自主按预设的编队队形跟随领航艇，此时跟随艇运动控制系统13向跟随艇系统2发送跟随艇智能跟踪模式指令，进入步骤4，在无人艇编队中有一个无人艇无法自主航行时，可采用应急遥控模式，人为遥控跟随艇；在应急遥控模式下，此时跟随艇直接接收所需的推力和力矩，从而按照操作者意图航行；同时通过无线通讯系统嵌入式控制系统将跟随艇的位置和艏向信息发送给岸基监控系统；

步骤4：在跟随艇智能跟踪模式下，所述跟随艇导航定位系统22获取当前跟随艇精准的自身实时位置和艏向信息；

所述嵌入式控制系统21根据获取的当前跟随艇的实时位置和艏向信息，采用智能跟踪模式按设定的跟随编队队形生成领航艇跟踪控制指令，对领航艇跟踪控制指令通过循迹算法得到当前跟随艇所需要的推力与转动力矩，并通过推力转速特性曲线(该曲线为艇的固有属性，均可以测量出来)的转换算法转化为当前跟随艇电机的转速和舵机的转角；

所述跟随艇运动执行系统23按照嵌入式控制系统21计算出转速和转角，驱动当前跟随艇的电机和舵机的运转，从而驱使跟随艇运动，形成设定的编队形式。

上述技术方案的步骤4中，跟随艇智能跟踪模式的具体过程为：嵌入式控制系统21通过跟随艇导航定位系统22获得跟随艇的实时位置和艏向信息，通过领航艇导航定位系统32获得领航艇的实时位置和艏向信息，嵌入式控制系统21的数据处理模块通过对跟随艇实时位置进行微分得到跟随艇航行速度，嵌入式控制系统21中的数据处理模块将估算的跟随艇航行速度传输给嵌入式控制系统21的控制模块，该控制模块首先建立固定坐标系XOY，即北东坐标系和随艇坐标系xoy，所述固定坐标系XOY用于描述无人艇位置和方向，所述随艇坐标系xoy用于描述无人艇的速度，然后计算(通过位置几何关系计算，见图4，速度偏差,就是速度相减)在随艇坐标系xoy下的跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy、艏向偏差Δψ、以及速度偏差Δυ，并将跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy转化到固定坐标系XOY下，然后设定跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、横向偏差Δy的期望值，即编队队形相对值纵向偏差为ρ0，横向偏差为ρ1，艏向保持一致，通过跟随艇相对领航艇的纵向偏差Δx、纵向偏差Δx的期望值和速度偏差Δυ来通过增量式PID控制方法计算当前跟随艇所需要的推力，通过跟随艇相对领航艇的横向偏差Δy、横向偏差Δy的期望值和艏向偏差Δψ通过增量式PID控制方法计算随艇所需要的转动力矩。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。