一种海上无人系统用水面遥控回航控制方法

摘要

本发明涉及一种海上无人系统水面遥控回航控制方法，包括以下步骤：岸基、母船或其他无人系统利用铱星模块或无线电将新的任务命令信息发送给海上无人系统，海上无人系统搭载的铱星模块或无线电接收到命令信息后，解析并更新任务内容，然后将新的任务分解成具有可操作性的具体行为并按顺序执行。从而实现基于铱星短信或无线电的在线任务重规划，达到了海上无人系统以在线重规划任务的技术需求，为海上无人系统的可靠性、安全性、灵活性提供了技术保证。

说明书

技术领域

本发明属于水下机器人控制技术领域，更具体的说是一种海上无人系统水面遥控回航控制方法。

背景技术

海上无人系统由于海面上风、浪、涌、流等的不断变化，母船难以靠近海上无人系统进行回收作业，使得海上无人系统的高精度控制非常困难，因此海上无人系统的水面回航控制技术研究具有实际意义和应用价值。

随着海上无人系统应用的不断增加和外场试验次数的不断增多，水面回收方便快捷省时省力地回收成为必须要考虑的重要技术问题。以往当海上无人系统作业结束后会以正浮力状态漂浮于水面上，等待母船机动航行到其附近，且母船必须处于逆风逆流处，以防止母船与海上无人系统发生碰撞；当海况不佳，浪涌过大时，母船很难保持好位置和姿态，这时，海上无人系统若具备水面回航功能，就能通过自主航行或者人工遥操作回航至离母船回收较佳位置，同时也使海上无人系统与母船之间保持安全距离，方便母船进行海上无人系统的回收操作。

因此，研究简单实用的海上无人系统水面遥控回航控制策略，解决海上无人系统水面回航问题，提高海上无人系统的自主回航能力，是目前海上无人系统水面遥操作中一个重点需要解决的实际问题。

发明内容

基于上述背景，本发明针对现有海上无人系统回收时大多需要母船机动靠近的不足，提出了一种海上无人系统用水面遥控回航控制策略，可以实现海上无人系统快捷地回航至母船附近，且能在海况不佳时通过遥操作使海上无人系统与母船之间保持安全距离，方便母船进行海上无人系统的回收操作，有助于提高海上无人系统的整体作业效率。

本发明解决其问题所采用的技术方案如下：一种海上无人系统水面遥控回航控制方法，包括：海上无人系统与母船或岸基站控制台进行通讯，根据其与母船或岸基站遥控台的距离、海况情况解析并更新回航任务指令：分别采用自主控制、半自主控制和手动控制的步骤实现向母船的回航。

所述海上无人系统与母船或岸基站控制台进行通讯是通过铱星或无线电实现的。

所述分别采用自主控制、半自主控制和手动控制的步骤实现向母船的回航是根据海上无人系统与母船的距离来划分的：当海上无人系统与母船的距离为超视距时采用自主控制的步骤；当海上无人系统与母船的距离为视距时采用半自主控制或手动控制的步骤。

所述采用自主控制的步骤包括：

根据给定目标点位置，实时检测海上无人系统的实际位置是否到达目标点位置形成闭环控制；

根据给定航迹，实时检测海上无人系统的实际航迹按照预设航迹航行形成闭环控制；

根据给定航速和航向，实时检测海上无人系统的实际航速和航向是否达到预设值形成闭环控制。

所述根据给定目标点位置，实时检测海上无人系统的实际位置是否到达目标点位置形成闭环控制，包括：

给定目标航速和目标位置，海上无人系统通过其搭载的导航传感器实时采集自身位置，根据自身位置和目标位置计算目标航向角并输出给舵机，控制其搭载的姿态传感器实时检测自身航向角，通过航向控制器调整自身航向角与目标航向角的误差、计算舵机角度值，从而控制海上无人系统向母船回航。

所述根据给定航迹，实时检测海上无人系统的实际航迹按照预设航迹航行形成闭环控制，包括：

根据给定目标航速、目标航向计算到航迹的实时位置距离，海上无人系统的运动控制器控制其搭载的导航传感器实时采集自身位置，根据自身位置和目标位置计算目标航向角并输出给舵机，通过航向控制器调整自身航向角与目标航向角的误差、计算舵机角度值，在给定目标航行时间内控制海上无人系统按照给定航迹向母船回航。

所述根据给定航速和航向，实时检测海上无人系统的实际航速和航向是否达到预设值形成闭环控制，包括：

海上无人系统根据搭载的速度传感器实时获取自身航速，通过速度控制器调整自身航速与给定的目标航速的误差，计算主推进器电机的目标转速值，在给定目标航行时间内控制海上无人系统向母船回航；

海上无人系统根据搭载的姿态传感器实时获取自身航向角，通过航向控制器调整自身航向角与给定的目标航向角的误差，计算舵机的目标角度值，在给定目标航行时间内控制海上无人系统向母船回航。

所述半自主控制的步骤包括：

海上无人系统根据搭载的速度传感器实时获取自身航速，通过速度控制器调整自身航速与给定的目标航速的误差，计算主推进器电机的目标转速值，控制海上无人系统能够按照给定的目标值在水面上自主向母船回航；

海上无人系统根据搭载的姿态传感器实时获取自身航向角，通过航向控制器调整自身航向角与给定的目标航向角的误差，计算舵机的目标角度值，控制海上无人系统能够按照给定的目标值在水面上自主向母船回航。

所述手动控制的步骤包括：

海上无人系统根据其接收的舵机角度值和主推进器电机转速值，直接作用到海上无人系统的舵机和主推进器上，实现海上无人系统向母船回航。

本发明具有以下有益效果及意义：

1、本发明将水面遥控回航策略分为自主控制、半自主控制和手动控制等三个控制策略，并根据母船与海上无人系统的距离远近分别采用不同的控制策略进行回航，实现了海上无人系统的快捷回航要求。

2、本发明利用海上无人系统航迹闭环回航控制策略，可实现水面按设定航迹回航从而具备一定抗流作用，使系统具有良好的抗干扰性和鲁棒性。

3、本发明规定了超视距和视距内时采用不同的回航控制策略，较单纯手动操控扩大了回航作用范围，且能方便快速地应用于实际工程。

附图说明

图1为本发明的回航控制流程图；

图2为本发明的自主回航控制系统的结构图I；

图3为本发明的自主回航控制系统的结构图II；

图4为本发明的半自主回航控制系统的速度结构图；

图5为本发明的半自主回航控制系统的航向结构图；

图6为本发明的手动操控回航控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明的目的，但不用来限定本发明的范围。

本发明的一种海上无人系统用水面遥控回航控制策略，包括以下内容：

1、海上无人系统完成使命任务后达到正浮力状态自由漂浮于海面上，此时铱星和无线电已被海上无人系统自动上电打开，可以接收安装于母船或者岸基上的水面遥控台的遥控命令，操作人员根据海上无人系统的位置信息，测算出其距离母船或岸基的距离；根据距离远近选择铱星或无线电通信方式，铱星是任意距离都能通信但通信频率低；无线电作用距离近但是通信频率高，水面控制台只有收到无线电位置信息后，才可通过无线电给海上无人系统下发遥控命令信号。可以下发的遥控回航命令主要有三种，分别是自主回航、半自助回航和手操回航，控制流程如图1所示。下问分别介绍三种回航方式。

2、自主回航控制

当海上无人系统距离母船或岸基超视距时，采用通过铱星或无线电给定目标点的经纬度位置。超视距定义为超过人眼无法看清的距离，为预先设定的值。

自主回航命令主要包括三种，分别是：目标点闭环、航迹闭环、定速定向。

(1)目标点闭环主要是给定目标航速和目标位置，海上无人系统实时接收自身位置信息，通过计算自身位置到目标位置的航向角，来控制自身的航向角到达目标航向角，控制结构如图2所示。

(2)航迹闭环主要是给定目标航速、目标航向，海上无人系统根据搭载的姿态传感器能实时获得惯性坐标系下的航向角，通过计算自身航向角到给定目标位置的误差，在给定目标航行时间内来控制自身的航向角到达目标航向角。控制结构如图3所示。

(3)定速定向主要是给定目标航速和目标航向以及航行时间，海上无人系统根据搭载的姿态传感器能实时获得惯性坐标系下的航向角，通过计算自身航向角到给定目标位置的误差，在给定目标航行时间内来控制自身的航向角到达目标航向角，控制结构如图2和图3所示。

3、半自主回航控制

半自主回航控制主要是指当母船距离海上无人系统在视距范围内时，通过无线电发送给海上无人系统回航的目标航向和目标航速，海上无人系统能够按照给定的目标值在水面上自主航行，最终到达目标值。

半自主回航控制属于闭环航行，通过无线电发送的目标航向和目标航速作用到海上无人系统的运动控制器。控制结构如图4和图5所示。

4、手动操控

手操控制属于开环控制，通过无线电发送的舵机角度值和主推电机转速直接作用到海上无人系统的舵机和主推进器上，不经过底层运动控制的计算和推力分配。控制结构如图6所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。