一种无人船动力定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种无人船动力定位系统及方法，所述系统包括传感器测量系统、控制系统、动力和推进系统；所述方法包括：建立无人船在多因素作用下的水动力模型，实现无人船控制标准化描述；由无人船装备的各种传感器测量出船运动的位置和航向，通过计算机进行复杂的实时计算，利用多矢量推力控制技术，进行动力定位系统解耦控制，达到推力、转速和螺距角度协同控制的目的，进而控制无人船的推力装置产生推进力和力矩去抵抗由外界环境引起的干扰力，实现无人船保持目标船位和船艏向的方法。

Unmanned ship dynamic positioning system and method

The invention discloses an unmanned ship dynamic positioning system and method, the system includes a sensor measurement system, control system, power and propulsion; the method comprises the following steps: the establishment of the hydrodynamic model of unmanned boat under multiple factors, unmanned ship control standard is described by various sensors; ship motion the position and the direction of unmanned ship equipment, complex real-time computation by computer, using the vector thrust control technology, system decoupling control of dynamic positioning, achieve thrust, speed and pitch angle of cooperative control purposes, the thrust device and then control the unmanned boat to produce thrust and torque resistance to interference caused by the external environment the method of realizing unmanned boat to maintain the target position and heading.

【技术实现步骤摘要】
一种无人船动力定位系统及方法
本专利技术涉及一种无人船动力定位方法及系统，尤其涉及一种基于智能控制的无人船动力定位方法及系统。
技术介绍
随着我国创新驱动发展战略的实施，水面无人运输工具、水面无人监测系统、水面无人作业平台等无人船技术，在物联网、大数据、云计算、人工智能的有力推动下暂露头角，无人船领域已然成为下一片产业蓝海，具有广阔的研究和应用空间。无人船在海洋上航行时会遇到风浪流等外部环境的干扰，如果要使无人船与海面上某基准线保持一定位置，船必须有产生反向力和力矩的能力。目前，在有人船领域，若想要使船舶对某一特定的位置保持船位时，船舶的泊锚索或者推力器可以有效地产生反向力和力矩去抵抗外界的干扰力。一般有人船采用泊锚索对船舶进行定位时，锚索从船体向四周抛出，但是由于随着水深的增加，这就要求锚索系统具有大的重量，随着锚索系统的重量增加，抛锚的困难性会加大。在实际中，若达到一定的水深时，锚索系统会完全无用。锚索系统不适用在无人船上。推进器与锚泊系统不同，它可以在任意水深的时候提供推力和力矩来抵抗外界的环境扰动，从成本上来说，锚泊系统的成本会随水深的增加而增加，而推进器的成木却与水深没有太大的关系。所以应用推进器来产生力和力矩去抵抗外界环境的干扰，从而保持船的位置和航向是一种理想的办法。所以，在无人船上使用动力定位方法及系统可行性很高。动力定位系统是自动控制船舶位置和航向的系统，该系统只依赖自身的推进系统。由自身装备的各种传感器测量出船舶运动的位置和航向，利用计算机进行复杂的实时计算，进而控制船舶的推力装置产生推进力和力矩去抵抗由外界环境引起的干扰力，使船舶保持目标的船位和船舶向。船舶利用动力定位系统，可以在锚泊系统不起作用的深水区域进行操作。动力定位系统能使船舶固定在一定的位置，还可以根据实时的风浪流的方向自动地调节船舶的蹭向到最优的期望位置。无人船水上作业环境复杂多变，不同水环境的水流状态、水底地貌、水面气象迥异，风阻力、静水阻力、波浪阻力等向无人船施加阻力的综合作用，影响动力定位准确性和航行稳定性。无人船作业任务种类繁多，作业过程中，由于船上设备和作业对象的移动及旋转，重心、吃水、艏向等状态时刻变化，浮性、稳性等关键航行性能受到牵制，危害无人船动力定位稳定性和航行可靠性。研究无人船在多因素作用下的水动力模型，明确单因素作用效果和多因素综合效应，形成无人船水动力模型一般标准，是无人船研究的关键性工作。与此同时，无人船作为全新的水面运输工具，涉及智能网络测控、最佳路径规划、实时航行决策、无线网络通信等多学科问题，具有高度关联性和耦合性，对包含环境感知、动力推进、解耦算法等在内的无人船推进及控制技术提出巨大挑战。传统船舶操纵上十分依赖船舶班组的航行经验，不宜用于无人船在复杂作业环境下的动力定位。加快无人船新型推进系统和推力控制方法革命，在无人船核心关键器件与控制算法首先取得突破，形成持续性的自主创新能力和研发积累效应，是从深度和广度两个角度引领产业发展的要义。
技术实现思路
为解决上述中存在的问题与缺陷，本专利技术提供了一种无人船动力定位系统及方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种无人船动力定位系统，包括：传感器测量系统、控制系统、动力和推进系统；所述传感器测量系统，包括导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块；所述导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块分别集成于相应的传感器，并都通过CAN总线连接到核心控制模块进行数据的处理；所述控制系统，包括高层控制和底层控制；用于控制船舶位置和航向角的一个多变量的反馈控制系统；所述动力和推进系统，包括输电设备、推进器和动力机械及辅助系统，用于提供控制器输出的力和力矩。一种无人船动力定位方法，包括以下步骤：步骤A建立一个无人船水动力模型；步骤B将测量机构测出的无人船位置和舶向角信息进行处理，得出实际的无人船位置和艏向角；步骤C将期望的位置和艏向角信号与实际值进行比较，得出实际值与期望值的偏差信号；步骤D设计无人船动力定位的控制算法，计算出抵抗位置偏移以及外界干扰的恢复力和力矩，使偏差的平均值减小到最小；步骤E利用多矢量推力最优分配算法，将推进器的推力和方位角以及舵角等控制的指令分配到各个推进器。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：在无人船动力定位方法及系统上，针对带有模型参数不确定和外界风浪流干扰的动力定位无人船，提出一种动力定位无人船全速域自适应模糊控制器。采用三个独立的控制器分别控制无人船在三个方向上的运动，从而简化了控制规则的设计和缩短了执行时间。针对带有非线性约束条件的推力分配优化问题，对动态的等式约束进行等份离散，在传统的粒子群算法中进行了改进，加入了改进的惯性因子，改进的比较准则和改进的干扰算子，将改进后的粒子群算法应用到推力分配策略中。附图说明图1是本专利技术无人船动力定位系统原理图；图2是本专利技术无人船动力定位系统基本框架图；图3是本专利技术无人船动力定位方法流程图；图4是本专利技术无人船水动力定位系统模型框图；图5是本专利技术无人船动力定位方法中自适应模糊控制系统；图6是本专利技术动力定位方法的模糊控制规则；图7是本专利技术动力定位方法的分级模糊控制。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本实施例提供了一种无人船动力定位系统，其中，参见图1，该系统系统包括：传感器测量系统、控制系统、动力和推进系统。传感器测量系统，主要包括导航定位模块、环境感知模块、内部监测模块，各个模块集成相应的传感器，最终全部通过CAN总线连接到核心控制模块进行数据的处理。控制系统，是控制船舶位置和航向角的一个多变量的反馈控制系统，主要包括：高层控制，这个部分包括控制器和推力分配；底层控制。动力和推进系统，基本作用是提供控制器输出的力和力矩，这个系统主要由输电设备、推进器和动力机械以及其他的辅助系统组成。参见图2，无人船动力定位系统基本框架图，该系统包含上位机系统和下位机系统。上位机系统具有友好的人机交互界面，供总监测平台工作人员观测和记录航速信息，舵角信息，位置信息，航行姿态信息和环境信息等实时数据；下位机系统以船载核心控制器为中心，由导航定位系统，环境感知系统，通信系统和动力推进系统组成。如图3所示，本实施例还提供了一种无人船动力定位方法，包括：步骤10建立一个无人船水动力模型；步骤20将测量机构测出的无人船位置和艏向角信息进行处理，得出实际的无人船位置和艏向角；步骤30将期望的位置和艏向角信号与实际值进行比较，得出实际值与期望值的偏差信号；步骤40设计无人船动力定位的控制算法，计算出抵抗位置偏移以及外界干扰的恢复力和力矩，使偏差的平均值减小到最小；步骤50设计多矢量推力最优分配算法，将推进器的推力和方位角以及舵角等控制的指令分配到各个推进器。参见图4，上述步骤10还包括：针对船舶运动模型，拟基于Balchen模型对无人船的低频运动和高频运动分别建立数学模型。对低频运动中与船运动影响较大的水动力项从噪声项中作显化处理，以减小噪声误差，改善对船舶运动的估计。在高频运动中，利用船模在规则波中及不同浪向角条件下进行试验，获得规则波下无人船高频运动的幅值响应和相位响应，再根据波浪谱计算相应的浪向角下的遭遇谱，然后由不规则波的浪谱计算高频运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人船动力定位系统，其特征在于，所述系统包括：传感器测量系统、控制系统、动力和推进系统；所述传感器测量系统，包括导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块；所述导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块分别集成于相应的传感器，并都通过CAN总线连接到核心控制模块进行数据的处理；所述控制系统，包括高层控制和底层控制；用于控制船舶位置和航向角的一个多变量的反馈控制系统；所述动力和推进系统，包括输电设备、推进器和动力机械及辅助系统，用于提供控制器输出的力和力矩。

【技术特征摘要】
1.一种无人船动力定位系统，其特征在于，所述系统包括：传感器测量系统、控制系统、动力和推进系统；所述传感器测量系统，包括导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块；所述导航定位模块、环境感知模块和内部监测模块分别集成于相应的传感器，并都通过CAN总线连接到核心控制模块进行数据的处理；所述控制系统，包括高层控制和底层控制；用于控制船舶位置和航向角的一个多变量的反馈控制系统；所述动力和推进系统，包括输电设备、推进器和动力机械及辅助系统，用于提供控制器输出的力和力矩。2.一种无人船动力定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤A建立一个无人船水动力模型；步骤B将测量机构测出的无人船位置和艏向角信息进行处理，得出实际的无人船位置和艏向角；步骤C将期望的位置和艏向角信号与实际值进行比较，得出实际值与期望值的偏差信号；步骤D设计无人船动力定位的控制算法，计算出抵抗位置偏移以及外界干扰的恢复力和力矩，使偏差的平均值减小到最小；步骤E设计多矢量推力最优分配算法，将推进器的推力和方位角以及舵角等控制的指令分配到各个推进器。3.根据权利要求2所述的一种无人船动力定位方法，其特征在于，所述步骤A还包括：A1拟基于Balchen模型对无人船的低频运动和高频运动分别建立数学模型；A2考虑到风浪流随机特性造成的动态不确定性，引入随机过程进行描述，分别对风流浪的载荷及变化情况进行分析，建立随机微分方程描述的环境扰动力模型；A3采用扩展推力的概念，建模成在不同舵角下与主推进器推力的百分比关系，通过模型试验或Fluent计算得到船舶在低航速下推力与舵的来流速度的关系，得到在不同舵角下...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪晓斌，龚仕枫，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44