一种帆船自主控制方法、装置及帆船制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种帆船自主控制方法、装置及帆船，其中，该方法包括：设置至少一个航路点；获取帆船的航行信息，将其所在位置的下一航路点设置为目标航路点；根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量；根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制舵角以达到或者跟踪期望航向；判断帆船是否到达目标航路点，若已到达，则再判断目标航路点是否为航行终点，如果是，则结束。实施本发明专利技术，在帆船的自主航行过程中，提供一套整体的帆船自主航行的控制方法，通过航向区划分、期望航向向量计算、舵角控制、风帆张开面积与调整角控制、推进器辅助推动等，系统地实现了帆船自主控制。

【技术实现步骤摘要】
一种帆船自主控制方法、装置及帆船
本专利技术涉及无人帆船领域，尤其涉及一种帆船自主控制方法、装置及帆船。
技术介绍
现有技术中，无人帆船是机器人技术和帆船技术交叉发展的最新产物。无人帆船是以风力作为推进动力，可以长时间的在海上进行警卫巡逻、科学考察、环境检测等任务，可以避免人类长时间在海上作业时，可能会遇到的安全、补给等问题。众所周知，帆船在海上航行需要面对各种复杂情况。但是在现有技术中，对于包括帆船在内的无人自主航行技术主要集中在对风帆进行自主控制。以风帆作为辅助航行工具的控制方法只适用于大型运输船的航向控制，由于大型运输船与小型帆船的结构有较大的不同，工作原理以及操控原理也有较大的不同；因此，大型帆船所采用的控制方案并不能很好的适用于小型帆船；另一方面，仅以风帆作为辅助航行工具，并不能实现对船体的自主控制。而且，通过对现有技术成果以及相关技术文献的分析可知，现有无人帆船的研发成果主要侧重于帆船自动控制系统硬件的实现，也没有一种应用于风帆自主驾驶中的整体性的控制方法，在帆船的航行过程中，不能很好地实现对航行路径的生成、风帆状态的控制、舵角的控制等操控动作。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种帆船自主控制方法、装置及帆船，旨在系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能，提高自主操控性。为达以上目的，本专利技术提出一种帆船自主控制方法，包括以下步骤：在航行路径中设置至少一个航路点；目标航路点确定步骤：获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点；期望航向确定步骤：根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量；控制步骤：根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向；判断步骤：判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤；若已到达，则进一步判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤；如果是，则结束流程。优选地，期望航向确定步骤包括：获取真实风的信息；根据真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区，航向区至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区；根据目标航路点和帆船的相对位置，计算目标航路点相对于帆船的相对方位角；根据相对方位角确定目标航路点所处的航向区；根据目标航路点所处的航向区获取期望的航向向量。优选地，获取真实风的信息包括：获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息；对航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢量计算，根据矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息。优选地，根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向包括：通过舵的偏转控制帆船的实际航向；通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。优选地，根据相对风向信息控制帆船的风帆状态包括：根据相对风的风向信息，控制风帆调整角。优选地，控制步骤还包括：获取帆船的姿态角度，其中，姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角；当俯仰角超过第一预设危险值时或者当横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。本专利技术还提出了一种帆船自主控制装置，该装置包括：航路点设置模块，用于在航行路径中设置至少一个航路点；目标航路点确定模块，用于获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点；期望航向确定模块，用于根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量；控制模块，用于根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向；判断模块，包括第一判断单元以及第二判断单元，其中，第一判断单元用于判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤，若已到达，则通知第二判断单元；第二判断单元用于判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤，如果是，则结束。优选地，期望航向确定模块包括：真实风信息获取单元、航向区划分单元、相对方位角确定单元以及航向区确定单元，其中，真实风信息获取单元用于获取真实风的信息；航向区划分单元用于根据真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区，航向区至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区；相对方位角确定单元用于根据目标航路点和帆船的相对位置，计算目标航路点相对于帆船的相对方位角；航向区确定单元用于根据相对方位角确定目标航路点所处的航向区。优选地，真实风信息获取单元还用于，获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息；对航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢量计算，根据矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息；控制模块包括第一实际航行控制单元以及第二实际航行控制单元，其中，第一实际航行控制单元用于通过舵的偏转控制帆船的实际航向；第二实际航行控制单元用于通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。控制模块还包括风帆调整角控制单元，用于根据相对风的风向信息，控制风帆调整角。控制模块还包括姿态角度获取单元以及求救信号处理单元，其中，姿态角度获取单元用于获取帆船的姿态角度，其中，姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角；求救信号处理单元用于当俯仰角超过第一预设危险值时或者当横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。本专利技术还提出了一种帆船，包括船体、风帆、舵、驱动装置和推进装置，该帆船还包括上述帆船自主控制装置。实施本专利技术的帆船自主控制方法，在帆船的自主航行过程中，通过对航向区的划分、期望航向向量的计算，提供一套整体性的帆船自主航行的控制方法，系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能，提高自主操控性。同时，实施本专利技术的帆船自主控制装置，通过舵角的控制、风帆张开面积与调整角的控制、推进器的辅助推动，以及帆船的惯性测量单元提供船体在全局惯性坐标系中的姿态信息，包括航向角、俯仰角和横滚角，通过全球定位系统获得帆船的经、纬度位置数据、航速和航向信息，由风传感器提供相对于船体的相对风的风速和风向，由控制器接收风传感器的信号，根据帆船的自主控制算法，计算出舵和风帆的控制量，并执行相应控制动作，系统地实现了帆船的自主无人航行。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术提供的帆船自主控制方法的流程图；图2是本专利技术较佳实施例提供的帆船自主控制方法的流程图；图3是本专利技术帆船自主控制方法的推进控制的细化流程图；图4本专利技术帆船自主控制方法的期望航向向量计算的细化流程图；图5是本专利技术较佳实施例提供的帆船自主控制装置的结构框图；图6是本专利技术提供的一种帆船的硬件结构图；图7是本专利技术帆船自主控制方法的目标点所处航行区时的相对方位示意图；图8是本专利技术帆船自主控制方法的船基平面坐标系示意图；图9是本专利技术帆船自主控制方法的风的矢量关系示意图；图10是本专利技术帆船自主控制方法的风传感器的标定示意图。具体实施方式实施例一如图1所示是本专利技术较佳实施例提供的帆船自主控制方法的流程图。该方法包括以下步骤：S1、在航行路径中设置至少一个航路点。其中，最后一个航路点即为帆船的航行终点。具体地，由系统或者无人帆船的使用人员，在航路范本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种帆船自主控制方法，其特征在于，所述方法包括：在航行路径中设置至少一个航路点；目标航路点确定步骤：获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点；期望航向确定步骤：根据所述帆船和所述目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量；控制步骤：根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与所述期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪所述期望航向；判断步骤：判断帆船是否到达所述目标航路点；若未到达，则返回所述期望航向确定步骤；若已到达，则进一步判断所述目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回所述目标航路点确定步骤；如果是，则结束流程。

【技术特征摘要】
1.一种帆船自主控制方法，其特征在于，所述方法包括：在航行路径中设置至少一个航路点；目标航路点确定步骤：获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点；期望航向确定步骤：根据所述帆船和所述目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量，具体包括：获取真实风的信息；根据所述真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区，所述航向区至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区；根据所述目标航路点和帆船的相对位置，计算所述目标航路点相对于帆船的相对方位角；根据所述相对方位角确定所述目标航路点所处的航向区；根据所述目标航路点所处的航向区获取期望的航向向量，其中，当所述目标航路点处于侧风区时，由帆船的当前位置指向所述目标航路点的单位向量即为期望航向向量；当所述目标航路点处于迎风不可航行区时，需要帆船实现抢风行驶，以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；当所述目标航路点处于顺风区时，需要帆船避开顺风区航行，以“Z”字形航行路径到达所述目标航路点；控制步骤：根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与所述期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪所述期望航向；判断步骤：判断帆船是否到达所述目标航路点；若未到达，则返回所述期望航向确定步骤；若已到达，则进一步判断所述目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回所述目标航路点确定步骤；如果是，则结束流程。2.根据权利要求1所述的帆船自主控制方法，其特征在于，所述获取真实风的信息包括：获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息；对所述帆船的航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢量计算，根据所述矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息。3.根据权利要求1所述的帆船自主控制方法，其特征在于，所述根据帆船当前的航向与所述期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪所述期望航向包括：通过舵的偏转控制帆船的实际航向；通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。4.根据权利要求1所述的帆船自主控制方法，其特征在于，所述根据相对风向信息控制帆船的风帆状态包括：根据所述相对风的风向信息，控制风帆调整角。5.根据权利要求1至4任一项所述的帆船自主控制方法，其特征在于，所述控制步骤还包括：获取帆船的姿态角度，其中，所述姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角；当所述俯仰角超过第一预设危险值时或者当所述横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。6.一种帆船自主控制装置，其特征在于，所述装置包括：航路点设置模块，用于在航行路径中设置至少一个航路点；目标航路点确定模块，用于获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点；期望航向确定模块，用于根据所述帆...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智锋，林天麟，
申请(专利权)人：智慧城市系统服务中国有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44