一种低能耗的无人船巡航方法技术

技术编号:38392913 阅读:22 留言:0更新日期:2023-08-05 17:45
本发明专利技术公开了一种低能耗的无人船巡航方法,包括岸基子系统、无人船子系统,所述无人船子系统包括定位导航模块、激光雷达模块、电池模块、动力控制模块和工控机,所述工控机通过WiFi模块与地面站无线连接,通过对无人船进行三自由度的运动学和动力学建模,分析真实环境中的风浪流对无人船的影响,并根据无人船运动时的能耗计算公式建立无人船能耗模型。基于能耗模型能够得到特定环境下不同巡航速度的能量消耗情况,利用该模型对航向控制策略及速度控制策略进行优化。通过约束航行中高耗能的减速制动行为、因偏航引起的频繁调整船头行为,以及采用低能耗的巡航速度,共同实现了在有风浪环境下的低能耗巡航控制。浪环境下的低能耗巡航控制。浪环境下的低能耗巡航控制。

【技术实现步骤摘要】
一种低能耗的无人船巡航方法


[0001]本专利技术属于无人船
,具体涉及一种低能耗的无人船巡航方法。

技术介绍

[0002]随着节能环保理念的推广,越来越多的无人船由燃油驱动变成电池驱动。但在无人船领域,研究者更关注无人船完成特定任务的能力,较少有研究者致力于行驶过程的节能研究。无人船的运动由动力电池提供能源,电池的大小直接决定了无人船的续航能力,但能量密度越大的电池往往重量也大,这对于小型无人船的整体性能是致命的。为了增加无人船的续航能力,目前国内外常用的办法有:优化船体结构减小行船阻力、采用多能源混合增强续航、采用复合材料降低船重等措施。但这些方法大多要求在设计之初就完成改造,对于现有的无人船续航能力的提升没有实际帮助。
[0003]在工程实践中通常采用两种办法来扩展无人船的续航能力,一种是配备多块可替换电池,一块电池电量不足时返航更换新电池,但这样会增加成本;另一种通过规划一条距离最短的路径或者耗时最短的路径,这种方法对于一些有大角度转弯的路线跟踪效果不佳,并且频繁调整航向还会增加船舶航行阻力,适用性有限
专利技术本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低能耗的无人船巡航方法,包括岸基子系统、无人船子系统其特征在于:所述无人船子系统包括定位导航模块、激光雷达模块、电池模块、动力控制模块和工控机,所述工控机通过WiFi模块与地面站无线连接,具体步骤如下:步骤一:参数获取、包括无人船参数数据和任务水域环境数据;步骤二:模型带入、在不考虑无人船自身弱电部分的电量消耗外,无人船所消耗的能量可以理解为螺旋桨在克服环境阻力的情况下,驱动船匀速行驶一段距离所做的功。则根据公式式中m为无人船重量,X
u
是纵荡方向的线性阻力系数,Y
v
是横荡方向的线性阻力系数,N
r
是艏摇方向的线性阻力系数,I
Z
是关于Oz轴的惯性矩,推力包括船体推进器推力τ
r
以及环境中的风推力τ
wind
、浪推力τ
wave
、流推力τ
current
等对船体产生的载荷,C
X
、C
Y
、C
N
为无人船空气阻力系数、S
r
为横向投影面积,S
L
为纵向投影面积,L为船长度单位m,V
wind
为相对风速,单位是kn、ζ为波浪的幅度,χ为航向与波浪的夹角,C
X1
(λ)为波浪的力与力矩的系数,可由经验公式求得;u是速度矢量V在纵荡方向上的速度分量、v是速度矢量V在横荡方向上的速度分量、r是速度矢量V在艏摇方向上的速度分量;可以得到无人船在有干扰环境中匀速直线行驶的能量消耗模型:W=W
X
+W
Y
+W
N
=τ
X
*x+τ
Y
*y+τ
ψ

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中τ
X
为纵荡方向上的推力、τ
Y
为横荡方向上的推力、τ
Z
为艏摇方向上的推力,可由公式直接求出。x为纵荡方向上运动的距离、y为横荡方向上运动的距离、ψ为艏摇方向上运动的转角.无人船推力可由公式计算得出:在一个具体的水域中,我们首先可以利用特定设备获取水面风速、流速、浪高等环境等级,并计算出对船运动产生的干扰大小,再按照式(1)动力学模型,推导出无人船以某速度匀速行驶所需推力大小,最后通过式(4)能耗模型可以求解无人船在该速度下的单位能耗,在风浪环境中,随着船速越高,船所受阻力越大,维持特定速度匀速行驶便需要更大推力,会加大能耗,所以能够利用该模型求解出最低能耗行驶速度;步骤三:无人船当前信息获取、无人船控制子系统得到的岸基子系统发布的规划路径、规划路径具体为是由一系列转化成直角坐标系行驶的点坐标组成,这些点依次连接形成多条直线路径,每条直线都能计算出与正北方向的夹角,作为船期望航向角ψ
d
;步骤四:偏差计算、通过可变半径的自适应LOS引导律,也就是将视距圆半径拓展为n倍船长加上可变的横向最小偏移距离,具体如下:1)计算当前无人位置与期望路径之间的最小横向偏离距离r
min
;2)以R=r
min
+nL为半径作视距圆;3)计此时的视线航向角ψ
los

4)求出期望航向调整量δ
r
。按照改进后的LOS算法,可以帮助无人船在有较大航向偏差时也很快求得航向角偏差大小;步骤五:偏差调整、无人船控制子系统利用求得的船与航线的横向偏移距离r
min
进行位置纠偏。由于船本身有大惯性、长延后的特性,往往当船出现很大的航向偏差时LOS引导律才会做出更新航向指令。因此利用横向偏移量作...

【专利技术属性】
技术研发人员:王萍王文凯张振亚丁伟张红艳殷涛高娇娇张朋朋杨泽丞
申请(专利权)人:安徽建筑大学
类型:发明
国别省市:

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