一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法及系统，涉及航海技术领域。该方法包括：获取所有任务点位置信息。获取并根据目标无人帆船的当前位置、当前航向和相对风向，计算期望航向和翼帆期望帆角。根据期望航向、当前航向和翼帆期望帆角，计算期望舵角。根据期望舵角和当前航向，调整该目标无人帆船的舵角，同时判断目标无人帆船是否能到达期望航向。在预设时间段内，若该目标无人帆船的舵角到达最大舵角，依然无法调整至期望航向，则通过调整艏侧推调整航向。从而通过将无人帆船的翼帆帆角与舵耦合控制，并增加艏侧推，弥补舵机艏摇力矩不足的情况，提高了鲁棒性和运算速度，增加了航向控制的精度和航向保持性能。持性能。持性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及航海
，具体而言，涉及一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法及系统。

技术介绍

[0002]随着科学技术的发展，航海技术的应用越来越广，不仅应用于军事、运输、客运等领域，还应用于水上检测、探测、监测等无人作业领域。
[0003]无人帆船控制技术已经应用于航海技术中，使得无人帆船在航海相关的作业越来越便利，且大幅度的提升了工作效率，降低驾驶人员的疲劳以及对驾驶人员的依赖。然而，现有无人帆船控制技术主要是通过测量风力、风向等相关数据，并根据该数据制定航行方案，以实现无人驾驶。
[0004]目前，现有无人帆船控制技术虽然一定程度上提高了工作效率，但是无人帆船在航行过程中(除不可航行区域外)，由于受到风力的影响，会导致船舶航行精度降低，必须通过换舷的方式逐步消除偏航距，总体效果呈现Z字形航行。随着风向的不断变化，其航迹无法精确控制。
[0005]导致以上主要原因是无人帆船的翼帆和舵的控制逻辑是解耦的，各自独立控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法及系统，用以改善现有技术中由于无人帆船的翼帆和舵的控制逻辑是解耦的，导致无人帆船的航迹无法精确控制的问题。
[0007]本专利技术的实施例是这样实现的：
[0008]第一方面，本申请实施例提供一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法，其包括如下步骤：
[0009]S110：当响应于用户设置任务点操作时，获取所有任务点位置信息，其中，由当前位置到达下一个任务点坐标为P
next
(lon
next
，lat
next
)，lon
next
为该任务点的经度，lat
next
为该任务点的纬度；
[0010]S120：获取目标无人帆船的当前位置P0(lon0，lat0)、当前航向ψ0和当前相对于目标无人帆船的相对风向H
wind
，其中，lon0为当前位置的经度，lat0为当前位置的纬度；
[0011]S130：根据任务点坐标P
next
(lon
next
，lat
next
)、当前位置P0(lon0，lat0)和相对风向H
wind
，计算得到当前位置到该任务点的期望航向ψ
tar
，并根据相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
，基于翼帆期望帆角Sail
tar
，向翼帆驱动电机发送Sail
tar
指令，以使翼帆到达与翼帆期望帆角Sail
tar
对应的帆角位置；
[0012]S140：根据期望航向ψ
tar
、当前航向ψ0和翼帆期望帆角Sail
tar
，计算得到期望舵角δ
tar
；
[0013]S150：根据期望舵角δ
tar
和当前航向ψ0，基于位置式PID控制算法，调整该目标无人
帆船的舵角，同时判断目标无人帆船是否能到达期望航向ψ
tar
，若能，则跳转至S110，若不能，则跳转至S160；
[0014]S160：在预设时间段内，若该目标无人帆船的舵角到达最大舵角，依然无法调整至期望航向ψ
tar
，则通过调整艏侧推调整航向。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，上述根据任务点坐标P
next
(lon
next
，lat
next
)、当前位置P0(lon0，lat0)和相对风向H
wind
，计算得到当前位置到该任务点的期望航向ψ
tar
的步骤包括：
[0016]利用公式计算目标无人帆船的当前位置P0(lon0，lat0)到任务点P
next
(lon
next
，lat
next
)的期望航向ψ
tar
，其中，当相对风向H
wind
为[0
°
，+30
°
]时，ψ
tar
＝+30
°
，当相对风向H
wind
为[
‑
30
°
，0
°
]时，ψ
tar
＝
‑
30
°
。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，上述根据相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
的步骤包括：
[0018]获取相对风向与翼帆帆角的关系对应表；
[0019]根据关系对应表和相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，上述根据期望航向ψ
tar
、当前航向ψ0和翼帆期望帆角Sail
tar
，计算得到期望舵角δ
tar
的步骤包括：
[0021]将翼帆受力F2分解为为目标无人帆船提供前进动力的力F
2y
＝F2×
cos(Sail
tar
)和使目标无人帆船偏离当前航向的转向力F
2x
＝F2×
sin(Sail
tar
)，并基于转向力，得到使目标无人帆船偏离当前航向的转向力矩M2＝F
2x
×
sin(Sail
tar
)
×
L2，其中，L2为翼帆施力点到目标无人帆船船体重心的距离；
[0022]将舵受力F3进行分解后，得到舵使目标无人帆船偏离当前航向的转向力矩M3＝F
3x
×
cos(δ
tar
)
×
L3，其中，F
3x
为分解舵受力F3得到的舵使目标无人帆船偏离当前航向的转向力，L3为舵施力点到目标无人帆船船体重心的距离；
[0023]根据目标无人帆船航向的力矩平衡，则M2+M3＝0；
[0024]根据M2＝F
2x
×
sin(Sail
tar
)
×
L2、M3＝F
3x
×
cos(δ
tar
)
×
L3和M2+M3＝0，得到期望舵角δ
tar
。
[0025]在本专利技术的一些实施例中，上述根据期望舵角δ
tar
和当前航向ψ0，基于位置式PID控制算法，调整该目标无人帆船的舵角，同时判断目标无人帆船是否能到达期望航向ψ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S110：当响应于用户设置任务点操作时，获取所有任务点位置信息，其中，由当前位置到达下一个任务点坐标为P
next
(lon
next
，lat
next
)，lon
next
为该任务点的经度，lat
next
为该任务点的纬度；S120：获取目标无人帆船的当前位置P0(lon0，lat0)、当前航向ψ0和当前相对于所述目标无人帆船的相对风向H
wind
，其中，lon0为当前位置的经度，lat0为当前位置的纬度；S130：根据所述任务点坐标P
next
(lon
next
，lat
next
)、所述当前位置P0(lon0，lat0)和所述相对风向H
wind
，计算得到所述当前位置到该任务点的期望航向ψ
tar
，并根据所述相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
，基于所述翼帆期望帆角Sail
tar
，向翼帆驱动电机发送Sail
tar
指令，以使翼帆到达与所述翼帆期望帆角Sail
tar
对应的帆角位置；S140：根据所述期望航向ψ
tar
、所述当前航向ψ0和所述翼帆期望帆角Sail
tar
，计算得到期望舵角δ
tar
；S150：根据所述期望舵角δ
tar
和所述当前航向ψ0，基于位置式PID控制算法，调整该目标无人帆船的舵角，同时判断所述目标无人帆船是否能到达期望航向ψ
tar
，若能，则跳转至S110，若不能，则跳转至S160；S160：在预设时间段内，若该目标无人帆船的舵角到达最大舵角，依然无法调整至期望航向ψ
tar
，则通过调整艏侧推调整航向。2.根据权利要求1所述的基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法，其特征在于，根据所述任务点坐标P
next
(lon
next
，lat
next
)、所述当前位置P0(lon0，lat0)和所述相对风向H
wind
，计算得到所述当前位置到该任务点的期望航向ψ
tar
的步骤包括：利用公式计算目标无人帆船的当前位置P0(lon0，lat0)到任务点P
next
(lon
next
，lat
next
)的期望航向ψ
tar
，其中，当相对风向H
wind
为[0
°
，+30
°
]时，ψ
tar
＝+30
°
，当相对风向H
wind
为[
‑
30
°
，0
°
]时，ψ
tar
＝
‑
30
°
。3.根据权利要求1所述的基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法，其特征在于，根据所述相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
的步骤包括：获取相对风向与翼帆帆角的关系对应表；根据所述关系对应表和所述相对风向H
wind
，得到翼帆期望帆角Sail
tar
。4.根据权利要求1所述的基于翼帆和舵联动的无人帆船航向控制方法，其特征在于，根据所述期望航向ψ
tar
、所述当前航向ψ0和所述翼帆期望帆角Sail
tar
，计算得到期望舵角δ
tar
的步骤包括：将翼帆受力F2分解为为目标无人帆船提供前进动力的力F
2y
＝F2×
cos(Sail
tar
)和使目标无人帆船偏离当前航向的转向力F
2x
＝F2×
sin(Sail
tar
)，并基于所述转向力，得到使目标无人帆船偏离当前航向的转向力矩M2＝F
2x
×
sin(Sail
tar
)
×
L2，其中，L2为翼帆施力点到目标无人帆船船体重心的距离；将舵受力F3进行分解后，得到舵使目标无人帆船偏离当前航向的转向力矩M3＝F
3x
×
cos(δ
tar
)
×
L3，其中，F
3x
为分解舵受力F3得到的舵使目标无人帆船偏离当前航向的转向力，L3为舵施力点到目标无人帆船船体重心的距离；根据目标无人帆船航向的力矩平衡，则M2+...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡井侠，
申请(专利权)人：东翼长启科技重庆有限公司，
类型：发明
国别省市：