基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中；包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息；路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向；运动控制子系统结合航向跟踪模型和轨迹跟踪模型、航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，控制舵机和螺旋桨。本发明专利技术在模型船上进行仿真实验，为大型船舶操作控制实验提供例证，为内河大型船舶安全航行提供重要保障，该系统降低大型船舶实验的难度和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶航行控制
，尤其涉及一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统及方法。
技术介绍
随着社会经济的不断发展，船舶数量和运输量不断增大，船舶的航行安全与节能问题受到愈来愈多的关注。随着船舶综合船桥系统、自动导航系统等技术的发展，船舶智能化水平不断提升，无人驾驶船舶成为未来船舶发展的必然趋势。无人驾驶船舶能有效减少人力成本，降低船舶事故发生概率，以及提升船舶营运效率。自主航行技术是船舶实现无人驾驶的重要保证。船舶自主航行具体是指船舶在获取航行目的地后，在完全没有人参与情况下，够自主感知周围环境信息，自主设计航线，并自主操纵船舶按照预设航线航行的过程。自主航行过程涉及复杂的数据处理、融合、最优化、人工智能等问题，目前相关的理论和方法还不够完善，亟待进一步研究。但真实实验因受客观条件的制约，研究自主航行相关理论和技术需耗费较高的成本，且实验验证过程中可能由于对船舶缺乏了解或其他不确定因素导致实验失败甚至危险发生。随着计算机和仿真技术的发展，仿真实验已成为进行真实实验前的一种必要的研究手段。由于计算机仿真或半实物仿真过程中的部分数据和环境是由计算机生成，很难保证真实环境下的一致性。
技术实现思路
为解决当前直接对大型船舶进行控制实验困难的问题，本专利技术提供一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统及方法。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：该仿真系统整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中，模拟航道中设置有模拟环境因素；该仿真系统包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；其中环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息，并分别发送给路径规划子系统和运动控制子系统；路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向，发送给运动控制子系统；运动控制子系统包括上位机、下位机和控制机构；上位机用于建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据环境感知子系统得到的模型船航行状态，与路径规划子系统得到的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；下位机用于解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号；控制机构用于根据舵机控制信号和螺旋桨控制信号控制舵机和螺旋桨。按上述系统，所述的运动控制子系统还包括远程遥控模块，用于通过远程遥控操作进行应急保护。按上述系统，所述的上位机还包括紧急避碰模块，用于接收螺旋桨转速、舵角值、模型船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给下位机，若无需避碰，则将结果传入航向跟踪模型和轨迹跟踪模型。按上述系统，所述的环境感知子系统包括用于识别模型船船首和船尾的标志灯、用于测量模型船与距离其周围一定范围内障碍物之间距离的距离传感器、用于识别障碍物的激光雷达、用于对障碍物进行定位的船载摄像头；环境感知子系统还包括设置在岸基用于捕捉标志灯从而对模型船进行图像识别定位的岸基单目摄像头。按上述系统，所述的路径规划子系统运用人工势能场算法计算障碍物对在航模型船的影响范围，再利用A*算法进行路径规划。利用上述基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统实现的仿真方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、环境感知：采集模型船航行状态和模拟环境因素信息；S2、规划路径：根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向；S3、运动控制：3.1、建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型；3.2、根据模型船航行状态，与跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差；3.3、航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；3.4、解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号，控制舵机和螺旋桨。按上述方法，所述的S3还包括远程遥控步骤，通过远程遥控操作进行应急保护。按上述方法，所述的S3还包括紧急避碰步骤，接收螺旋桨转速、舵角值、模型船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给下位机，若无需避碰，则将结果传入航向跟踪模型和轨迹跟踪模型。按上述方法，所述的S1具体包括：在模型船船首和船尾分别设置标志灯；在岸基设置岸基单目摄像头用于捕捉标志灯从而对模型船进行图像识别定位；测量模型船与距离其周围一定范围内障碍物之间距离；识别障碍物并对障碍物进行定位。按上述方法，所述的S2运用人工势能场算法计算障碍物对在航模型船的影响范围，再利用A*算法进行路径规划。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术设计了一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统及方法，将研究成果在模型船上进行仿真实验，为大型船舶操作控制实验提供例证，最终为内河大型船舶安全航行提供重要保障，该系统和方法降低大型船舶实验的难度和成本。2、通过补充远程遥控、紧急避碰等模块和步骤，进一步提高了自主航行的安全性和可靠性，并且，该系统和方法能够兼容性的在上位机补入其它各种控制测试系统或方法，为今后开展大型船舶轨迹跟踪控制、航迹控制、鲁棒控制等提供测试平台支持，实现了专利技术的通用性。3、通过对环境感知、路径规划子系统进一步的细化，提高整个仿真系统的仿真性能和精确度。附图说明图1是本专利技术一实施例的信息传递框架图。图2是环境感知子系统的结构框图。图3是路径规划子系统的结构框图。图4是运动控制子系统的结构框图。图5是本专利技术一实施例的通信方式图。图中：1、超声波传感器，2、标志灯，3、激光雷达，4、船载摄像头，5、岸基单目摄像头。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步详细的说明。本专利技术提供一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，该仿真系统整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中，模拟航道中设置有模拟环境因素；如图1所示，该仿真系统包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；其中环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息，并分别发送给路径规划子系统和运动控制子系统；路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向，发送给运动控制子系统；运动控制子系统如图4所示，包括上位机、下位机和控制机构；上位机（本实施例中选用计算机作为上位机）用于建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据环境感知子系统得到的模型船航行状态，与路径规划子系统得到的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：该仿真系统整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中，模拟航道中设置有模拟环境因素；该仿真系统包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；其中环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息，并分别发送给路径规划子系统和运动控制子系统；路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向，发送给运动控制子系统；运动控制子系统包括上位机、下位机和控制机构；上位机用于建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据环境感知子系统得到的模型船航行状态，与路径规划子系统得到的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；下位机用于解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号；控制机构用于根据舵机控制信号和螺旋桨控制信号控制舵机和螺旋桨。

【技术特征摘要】
1.一种基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：该仿真系统整体设置在模型船上，模型船设置于模拟航道中，模拟航道中设置有模拟环境因素；
该仿真系统包括环境感知子系统、路径规划子系统和运动控制子系统；其中
环境感知子系统用于采集模型船航行状态和模拟环境因素信息，并分别发送给路径规划子系统和运动控制子系统；
路径规划子系统用于根据模型船航行状态和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出跟踪航线、设定航速及设定航向，发送给运动控制子系统；
运动控制子系统包括上位机、下位机和控制机构；上位机用于建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据环境感知子系统得到的模型船航行状态，与路径规划子系统得到的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算模型船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令；下位机用于解析舵角和螺旋桨转速指令，生成舵机控制信号和螺旋桨控制信号；控制机构用于根据舵机控制信号和螺旋桨控制信号控制舵机和螺旋桨。
2.根据权利要求1所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：所述的运动控制子系统还包括远程遥控模块，用于通过远程遥控操作进行应急保护。
3.根据权利要求1或2所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：所述的上位机还包括紧急避碰模块，用于接收螺旋桨转速、舵角值、模型船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给下位机，若无需避碰，则将结果传入航向跟踪模型和轨迹跟踪模型。
4.根据权利要求1所述的基于模型船的欠驱动无人船自主航行控制仿真系统，其特征在于：所述的环境感知子系统包括用于识别模型船船首和船尾的标志灯、用于测量模型船与距离其周围一定范围内障碍物之间距离的距离传感器、用于识别障碍物的激光雷达、用于对障碍物进行定位的船载摄像头；环境感知子系统还包括设置在岸基用于捕捉标志灯从而对模...

【专利技术属性】
技术研发人员：初秀民，柳晨光，王乐，欧阳雪，谢朔，王桂冲，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42