一种室内调试无人船的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及无人船控制技术领域，具体涉及一种室内调试无人船的方法，包括：采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点空间坐标；依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度；通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量；发送电机控制量，根据控制量对电机进行调节。本发明专利技术采用计算机作为控制终端，代替船体控制器完成有关控制算法的计算，较为高效地得出控制算法的合适参数，并且控制程序不再需要重复多次烧录到无人船上，极大地便捷调试步骤。同时，调试获得参数与无人船模型无关，可以直接应用于实际中。

【技术实现步骤摘要】
一种室内调试无人船的方法及系统
本专利技术涉及无人船控制
，具体涉及一种室内调试无人船的方法及系统。
技术介绍
随着无人船应用技术的不断发展，人们对无人船的性能要求也越来越高，现有的无人船调试技术在湖泊进行调试，但存在搭建平台花费时间长、操作复杂、易受外部环境干扰、定位精度低、船体控制器计算能力不足，调试步骤繁琐等缺点，已经不能满足对无人船进行高精度复杂任务的控制要求。而无人船是一个复杂性高，惯性大，环境干扰大，非线性、强耦合的欠驱动系统，调试系统的准确度将很大程度上影响着调试无人船性能的好坏。现在还没有较为完善的一套调试出来的性能与实际中的也较为接近的无人船调试系统。因此，一个针对无人船方便、高精度、计算能力强的调试系统便成了迫切需要。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种室内调试无人船的方法及系统。为实现上述目的，本专利技术采用如下方案。一种室内调试无人船的方法，包括：采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点空间坐标；依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度；依据当前位置和期望轨迹，通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量；发送电机控制量，根据控制量对电机进行调节。进一步地，采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点空间坐标，具体为：在调试区域预设全局坐标系；采集无人艇在调试区域的图像；识别图像中呈等腰三角形分布的定位点，并通过多目视觉坐标算法，解析出定位点在全局坐标系中的空间坐标。进一步地，依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度，具体为：依据定位点的空间坐标，解析出等腰三角形两底角定位点的中点位置(x1,y1)，并与顶角定位点(x2,y2)连成线段，解析出线段的中点(xc,yc)作为无人船的位置；通过反正切函数解析出无人船在全局坐标系的航向角ψ＝atan2((y2-y1)/(x2-x1))；以船头航行为y轴，与y轴垂直向右为x轴建立体坐标系，并通过位置差分算法、全局坐标系和体坐标系变换算法，解析出无人船的前向速度u，横向速度v和角速度r。进一步地，依据当前位置和期望轨迹，通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量，具体为：根据期望轨迹，建立无人船轨迹跟踪运动学模型；计算无人船当前位置与期望轨迹的差值，根据差值构建误差模型，对误差模型求导，并通过稳定性分析设计控制算法，得到达到无人船期望轨迹的期望速度和趋近参数；计算无人船当前速度与期望速度的差值，利用控制算法并结合建立无人船轨迹跟踪运动学模型，得到无人船前向速度的控制参数和相角的控制参数；根据无人船调整的前向速度控制参数和相角控制参数，计算出电机需调整的控制量。进一步地，所述控制算法包括双闭环PID算法，LQR算法，滑模控制算法，自适应控制算法，预测控制算法。进一步地，所述无人船包括双螺旋桨无人船，单螺旋浆加尾舵无人船和带侧推装置的全驱动无人船。一种室内调试无人船的系统，包括：控制系统，解析定位点坐标和无人船姿态、位置和速度，并调节电机；视觉定位系统，用于采集无人船图像；无人船，用于调节并使沿期待轨迹航行；所述控制系统分别与视觉定位系统和无人船无线连接；所述控制系统包括通信模块和计算机控制终端，所述通信模块与计算机控制终端电性连接；所述视觉定位模块包括至少3个红外摄像头，所述红外摄像头固定于调试区域边缘，且红外摄像头的镜头对准调试区域的中心区域；所述无人船设有至少3个不在同一直线上的定位点，所述定位点呈等腰三角形分布。进一步地，所述定位点为红外发射管或设有反射红外光材料的球体。进一步地，所述红外摄像头通过带万向轴的支架固定于调试区域边缘。本专利技术的有益效果：采用计算机作为控制终端，代替船体控制器完成有关控制算法的计算，较为高效地得出控制算法的合适参数，并且控制程序不再需要重复多次烧录到无人船上，极大地便捷调试步骤。同时，计算机控制终端的调试获得参数与无人船模型无关，最终调试出来的控制算法参数可以直接应用于实际中。附图说明图1为本专利技术实施例的系统结构示意图。图2为本专利技术实施例的系统结构框图。图3为本专利技术实施例的双螺旋浆无人船结构示意图。具体实施方式为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本专利技术的限定。一种室内调试无人船的系统，如图1所示，包括：控制系统202，用于解析定位点204坐标和无人船姿态、位置和速度，并调节电机；视觉定位系统201，用于采集无人船203图像；无人船203，用于调节调节航速和航向，并沿期待轨迹航行；所述控制系统202分别与视觉定位系统201和无人船203无线连接；所述控制系统202包括通信模块和计算机控制终端，所述通信模块与计算机控制终端电性连接；所述视觉定位系统201包括至少3个红外摄像头，所述红外摄像头固定于调试区域边缘，并呈环形分布安装于2m高的地方，且红外摄像头的镜头对准调试区域的中心区域；所述无人船203设有至少3个不在同一直线上的定位点204，所述定位点204呈等腰三角形分布。本实施例中，定位点204为红外发射管或设有反射红外光材料的球体。定位点204通过发射出红外光，或反射红外光，使无人船能被视觉定位系统201的红外摄像头抓拍到图像。本实施例中，所述通信模块采用常见的24L01无线模块。与计算机控制终端相连的24L01通信模块接收电机控制信号，并以无线的方式发送给无人船203上的24L01通信模块。船上的24L01通信模块再将信息传输给无人船203上的控制器以控制电机的转速。本实施例中，红外摄像头通过带万向轴的支架固定于调试区域边缘。常见的通过底座固定摄像头的方式，摄像头只能左右转动，高度一般固定，且安装好不易拆卸。而本实施例利用支架通过夹具固定摄像头，可以调整摄像头高度，支架上万向轴可以360度全方位调整摄像头，有利于调试无人船203运行环境时获取较佳视角，安装与拆卸都较为便利，而且不安装底座能降低物理接触对水池环境的影响，这样接近实际中的应用环境，调试出来的效果可以很好地与实际环境中的效果吻合。本实施例还提供了一种室内调试无人船的方法，如图2所示，控制系统202先在调试区域预设全局坐标系，控制系统202根据预设的全局坐标系解析出无人船203的位置。视觉定位系统201的红外摄像头采集无人船203在调试区域中航行的图像，并无线传输至控制系统202的计算机控制终端，计算机控制终端从采集的图像中识别呈等腰三角形分布的定位点204，并通过多目视觉坐标算法，解析出定位点204在全局坐标系中的空间坐标。计算机控制终端依据定位点204的空间坐标，解析出等腰三角形两底角定位点204的中点位置(x1,y1)，并与顶角定位点(x2,y2)连成线段，解析出线段的中点(xc,yc)作为无人船的位置；通过反正切函数解析出无人船在全局坐标系的航向角ψ＝atan2((y2-y1)/(x2-x1))；计算机控制终端以船头航行为y轴，与y轴垂直向右为x轴建立体坐标系，依据体坐标系算出无人船203自身的速度量；计算机控制终端通过位置差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种室内调试无人船的方法，其特征在于，包括：采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点的空间坐标；依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度；依据当前位置和期望轨迹，通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量；发送电机控制量，根据控制量对电机进行调节。

【技术特征摘要】
1.一种室内调试无人船的方法，其特征在于，包括：采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点的空间坐标；依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度；依据当前位置和期望轨迹，通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量；发送电机控制量，根据控制量对电机进行调节。2.根据权利要求1所述的一种室内调试无人船的方法，其特征在于，采集无人船图像，并解析出船上呈等腰三角形分布的定位点的空间坐标，具体为：在调试区域预设全局坐标系；采集无人艇在调试区域的图像；识别图像中呈等腰三角形分布的定位点，并通过多目视觉坐标算法，解析出定位点在全局坐标系中的空间坐标。3.根据权利要求1所述的一种室内调试无人船的方法，其特征在于，依据定位点的空间坐标解算出无人船的姿态、位置和速度，具体为：依据定位点的空间坐标，解析出等腰三角形两底角定位点的中点位置(x1,y1)，并与顶角定位点(x2,y2)连成线段，解析出线段的中点(xc,yc)作为无人船的位置；通过反正切函数解析出无人船在全局坐标系的航向角ψ＝atan2((y2-y1)/(x2-x1))；以船头航行为y轴，与y轴垂直向右为x轴建立体坐标系，并通过位置差分算法、全局坐标系和体坐标系变换算法，解析出无人船的前向速度u，横向速度v和角速度r。4.根据权利要求1所述的一种室内调试无人船的方法，其特征在于，依据当前位置和期望轨迹，通过控制算法解析出达到期望轨迹所需的期望速度和趋近参数；依据当前速度和期望速度，通过控制算法解析出达到期望速度所需的电机控制量，具体为：根据期望轨迹，建立无人船轨迹跟踪运动学模型；计算无人船当前位置与期望轨迹的差值，根据差值构建误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，胡斌斌，刘彬，孟浩飞，吴越，任贵平，黄翔，肖颖，
申请(专利权)人：广东华中科技大学工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44