一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法，基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法，先根据无人船惯性获取角速度和平移速度，且结合全局路径，使用DWA算法建立一定时间系列的局部路径，基于这些路径使用评价函数选择一条最优预测局部路径，然后细分求取每个时间系列预测路径与实际运行路径的差异向量，以所有时间系列的差异向量求密度函数，并选取两个标准差范围内的差异向量，对所有入选的差异向量求均值，即可得到水流状态向量，这样通过每个无人船采集当前行驶区域的水流情况，并共享给无人船群，从而构建出高实时性的路径搜索代价地图计算出平衡最短路径最平稳最低能耗最高效的人性化路径。人性化路径。人性化路径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法


[0001]本专利技术涉及无人船推算水流速度和方向方法
，具体为一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法。

技术介绍

[0002]目前无人船的路径规划多采用障碍物地图，并在其基础上使用Astar或hybridAstar进行最优路径规划，从而得到无人船起点到终点的最短路径，但是现有技术有很大的缺点：传统最短路径缺乏对水域环境因素的考虑，在同一水域内局部水流情况复杂(存在水流速度和方向差异明显)时，该规划方式容易导致无人船行驶水域颠簸，水流阻力大等问题，为此，我们提出一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法，该方法包括对无人船动力进行标定的方法以及基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法，针对不同动力模型的无人船有不一样的标定方式，标定方法包括单动力舵机无人船动力标定方案和左右双动力无人船标定方案；
[0005]基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法的具体步骤为：
[0006]a.根据无人船的当前基础惯性值计算，以单个时间系列为基础求导得到无人船旋转速度和平移速度，以此作为T0时刻的初始速度；
[0007]b.以为全局路径作为局部路径的梯度最优方向，使用一定数量的时间系列，进行DWA算法选取最优轨迹对应的(v，w)作为局部最优目标路径；
[0008]c.基于无人船位于静态的水域上，对应的动力输出(v，w)执行后，无人船的行驶轨迹应能很贴近DWA算法规划的局部轨迹，而在动态水域或者具有流动性的水域时，则会随着不同的速度和方向的水流影响，导致无人船实际运行轨迹偏离目标最优轨迹，其中，如果水流动态越激烈，无人船偏离预测的局部轨迹就越明显；
[0009]d.求取环境因素偏差：把DWA规划的目标最优轨迹中，每个时间系列对应一小段路径，从T0时刻到T1时刻的路径以一个向量[PX0，PY0]表示，其中，向量长度表无人船平移距离，向量方向表无人船移动方向，然后根据无人船实际运行轨迹的T0时刻到T1时刻，即无人船行驶路径的起点到终点之间的变化以向量[CX0，CY0]表示，把预测轨迹向量减去实际运行轨迹，得到T0时间系列的环境因素偏差向量[dx0，dy0]，以此类推，得到剩下的时间系列环境因素偏差；
[0010]e.默认环境因素偏差服从正态分布，所以把所有时间系列环境因素偏差进行方差
和密度函数求取，其中数学期望为μ、方差为σ2的正态分布，记为N(μ，σ2)；
[0011]f.从所有环境因素偏差中取偏离在两个标准差范围内的环境因素偏差，并对其进行求平均以得到水流向量[FX，FY]，这个向量就是水流的情况，即水流速度与方向。
[0012]优选的，单动力舵机无人船动力标定方案为：
[0013]a.使舵机打到大致正前方，然后在静态水域内行驶100m，观察无人船的最终位置是否在起始位置方向的延长线上；
[0014]b.若无人船最终位置明显偏离起始位置方向的延长线，则根据偏离方向进行微调舵机正前方角度，然后重复a步骤；
[0015]c.若无人船最终位置偏离起始位置方向的延长线在合理范围内，则标定完成，舵机该角度便是正前方角度。
[0016]优选的，左右双动力无人船标定方案为：
[0017]a.在静态水域环境内，给予无人船左右动力输出一样数值，并行驶100m，观察无人船的最终位置是否在起始位置方向的延长线上；
[0018]b.若无人船最终位置明显偏离起始位置方向的延长线，则根据偏离方向进行左右动力输出调节，即偏离的方向上的动力增加，同理要归正的方向上的动力减小，然后重复a步骤；
[0019]c.若无人船最终位置偏离起始位置方向的延长线在合理范围内，则标定完成，该左右轮的输出便是正前方方向。
[0020]优选的，DWA算法的原理主要是在速度空间(v，w)中采样多组速度，并模拟出这些速度在一定时间内的运动轨迹，并通过评价函数对这些轨迹进行评价，评价标准为与障碍物距离无人船角速度无人船加速度等综合最小代价。
[0021]优选的，水流方向校准方法的前期准备工作为：无人船上安装有GPS测量仪、精密角度转盘和声学多普勒流速剖面仪换能器，GPS测量仪用于接收GPS信号，实现无人船的绝对坐标定位，通过转接法兰盘将声学多普勒流速剖面仪安装到无人船的底部，调节声学多普勒流速剖面仪零度指示标志与精密角度转盘零的度指示标志重合，与声学多普勒流速剖面仪换能器连接的通信电缆接入无人船的电子水密舱，平稳吊放无人船至待测水域。
[0022]优选的，水流方向校准方法的具体步骤为；
[0023]S1：由精密角度转盘调节声学多普勒流速剖面仪指示方向与无人船中轴线夹角至选定角度值，精密角度转盘用于调整声学多普勒流速剖面仪换能器与无人船首尾中心轴线的角度，实现声学多普勒流速剖面仪流向参数的校准；
[0024]S2：无人船以沿航迹线匀速行驶，设置GPS测量仪以1Hz的采样率实时采集无人船的位置信息，与航迹线坐标信息比较，计算不同时刻的航向偏离误差，将精密角度转盘设定方向值与航向偏离值矢量合成，作为该时刻的标准流向值；
[0025]S3：采集声学多普勒流速剖面仪在测量段的10个流向示值，选取同一时刻的流向示值与流向标准值进行比对分析，计算流向示值误差；
[0026]S4：在0度
‑
180度范围内，均匀选择7个角度值0度、30度、60度、90度、120度、150度、180度，重复S1、S2和S3，进行声学多普勒流速剖面仪换能器流向参数的校准。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0028]本专利技术基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法，先根据无人船惯性获
取角速度和平移速度，且结合全局路径，使用DWA算法建立一定时间系列的局部路径，基于这些路径使用评价函数选择一条最优预测局部路径，然后细分求取每个时间系列预测路径与实际运行路径的差异向量，以所有时间系列的差异向量求密度函数，并选取两个标准差范围内的差异向量，对所有入选的差异向量求均值，即可得到水流状态向量，这样通过每个无人船采集当前行驶区域的水流情况，并共享给无人船群，从而构建出高实时性的路径搜索代价地图，从而影响无人船在路径规划时并非单一考虑最短距离与可达因素，而是综合考虑水域情况，计算出平衡最短路径最平稳最低能耗最高效的人性化路径。
附图说明
[0029]图1为本专利技术动力标定流程图；
[0030]图2为本专利技术水流速度和方向推算流程图。
具体实施方式
[0031]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法，其特征在于：该方法包括对无人船动力进行标定的方法以及基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法，针对不同动力模型的无人船有不一样的标定方式，标定方法包括单动力舵机无人船动力标定方案和左右双动力无人船标定方案；基于动力标定方法进行水流速度和方向推算的方法的具体步骤为：a.根据无人船的当前基础惯性值计算，以单个时间系列为基础求导得到无人船旋转速度和平移速度，以此作为T0时刻的初始速度；b.以为全局路径作为局部路径的梯度最优方向，使用一定数量的时间系列，进行DWA算法选取最优轨迹对应的(v，w)作为局部最优目标路径；c.基于无人船位于静态的水域上，对应的动力输出(v，w)执行后，无人船的行驶轨迹应能很贴近DWA算法规划的局部轨迹，而在动态水域或者具有流动性的水域时，则会随着不同的速度和方向的水流影响，导致无人船实际运行轨迹偏离目标最优轨迹，其中，如果水流动态越激烈，无人船偏离预测的局部轨迹就越明显；d.求取环境因素偏差：把DWA规划的目标最优轨迹中，每个时间系列对应一小段路径，从T0时刻到T1时刻的路径以一个向量[PX0，PY0]表示，其中，向量长度表无人船平移距离，向量方向表无人船移动方向，然后根据无人船实际运行轨迹的T0时刻到T1时刻，即无人船行驶路径的起点到终点之间的变化以向量[CX0，CY0]表示，把预测轨迹向量减去实际运行轨迹，得到T0时间系列的环境因素偏差向量[dx0，dy0]，以此类推，得到剩下的时间系列环境因素偏差；e.默认环境因素偏差服从正态分布，所以把所有时间系列环境因素偏差进行方差和密度函数求取，其中数学期望为μ、方差为σ2的正态分布，记为N(μ，σ2)；f.从所有环境因素偏差中取偏离在两个标准差范围内的环境因素偏差，并对其进行求平均以得到水流向量[FX，FY]，这个向量就是水流的情况，即水流速度与方向。2.根据权利要求1所述的一种基于无人船动力输出与轨迹偏航推算水流速度和方向的方法，其特征在于：单动力舵机无人船动力标定方案为：a.使舵机打到大致正前方，然后在静态水域内行驶100m，观察无人船的最终位置是否在起始位置方向的延长线上；b.若无人船最终位置明显偏离起始位置方向的延长线，则根据偏离方向进行微调舵机正前方角度，然后重复a步骤；c.若无人船最终位置偏离起始位置方向的延长线在合理范围内，则标定完成，舵机该角度便是正前方角度。3.根据权利要求2所述的一种基于无人船动力输出与轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦浩平，屈定真，冯进文，
申请(专利权)人：广州市番高领航科技有限公司，
类型：发明
国别省市：