一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及船舶控制技术领域，更具体的说是涉及一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法。


背景技术：

2.船舶操纵和控制是航海技术的重要组成部分，随着经济的发展和科学技术的进步，航海活动的领域和范围不断拓展，海洋航行环境日益复杂，船舶操纵对驾驶员的要求越来越高。现有船舶操纵是通过单独发送舵令和车令控制执行机构来实现目标航向和航速控制的目的，操纵复杂且不直接，操纵劳动强度大，急需一种具有直接联合控制船舶航向和航速等运动意图的船舶驾驶辅助系统，实现车舵联合控制，来有效提高驾驶安全性和舒适性。
3.因此，如何提供一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法，本发明将传统单独发送车令、舵令的车钟和舵轮集成为单杆发送，发送指令为航速、航向和航迹等运动意图，自动分析当前船舶运动态势，给出最优的车、舵指令，直接高效的实现控制目标。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置，包括单手柄和控制系统，所述单手柄与所述控制系统电连接；
7.所述单手柄可旋动地设置于空间坐标系内，其中空间坐标系内的x轴设置为航迹向，y轴为速度，z轴为航向；
8.所述控制系统检测所述单手柄在空间坐标系内旋动的角度，根据预设的单手柄机械角度与航速和航迹向角度对应关系图获取所述单手柄相应的控制命令，并接收目标船的航速和航迹向实时数据，当实时数据与控制命令不相符时，实现控制命令。
9.优选的，所述单手柄上设置有开关按钮和控制命令发送按钮，并且所述开关按钮与所述控制命令发送按钮与所述控制系统电连接。
10.一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统，包括：联合控制模块、i/o模块和解算模块；
11.所述联合控制模块，用于根据单手柄活动的机械角度，获取相应的控制命令，并实现相应控制命令的发送；
12.所述i/o模块，用于接收目标船的航速和航迹向的实时数据，并将所述实时数据发送至所述解算模块；
13.所述解算模块，用于判断控制命令类别，并根据控制命令类别判断实时数据与控制命令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制器调整目标船的航速
和航迹向的实时数据至与控制命令相匹配。
14.优选的，所述联合控制模块包括：角度检测单元、角度转换单元和控制命令发送单元并依次连接；
15.所述角度检测单元与所述单手柄电连接，用于检测所述单手柄旋动的机械角度；
16.所述角度转换单元，用于根据预设的单手柄机械角度与航速和航迹向角度对应关系图，将所述单手柄旋动的机械角度转换为所述单手柄相应的控制命令；
17.所述控制命令发送单元，用于将所获取到的控制命令发送至所述解算模块。
18.优选的，所述i/o模块包括实时航速采集单元和实时航迹向采集单元；
19.所述实时航速采集单元，用于采集目标船的实时航速信息，并发送至所述解算模块；
20.所述实时航迹向采集单元，用于采集目标船的实时航迹向信息，并发送至所述解算模块。
21.优选的，所述解算模块包括：指令判断单元、航速指令匹配单元、航向指令匹配单元和模糊pid控制器；
22.所述指令判断单元，用于判断所接收到的控制命令的类别，并且在检测到当前控制命令为航速指令或航向指令时，直接将航速指令发送至所述航速指令匹配单元，将航向指令发送至所述航向指令匹配单元，当检测到当前控制命令为航迹向指令时，将航迹向指令转换为航向指令，并发送至所述航向指令匹配单元；
23.所述航速指令匹配单元，用于获取目标船的实时航速信息，并判断实时航速信息与航速指令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过所述模糊pid控制器将目标船的航速调整至航速指令；
24.所述航向指令匹配单元，用于获取目标船的实时航迹向信息，并判断实时航迹向信息与航迹向指令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过所述模糊pid控制器将目标船的航迹向调整至航迹向指令。
25.优选的，模糊pid控制器包括误差计算单元、模糊推理单元和pid调节器；
26.所述误差计算单元，用于计算航速、航向和航迹误差以及对应的误差变化率，并发送至模糊推理单元；
27.所述模糊推理单元，用于根据所获取到的各误差及误差变化率以及模糊规则表，进行模糊化推理；
28.所述pid调节器，用于根据所述模糊推理单元的结果对pid初始设定参数进行动态调整。
29.一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法，包括以下步骤：
30.s1.根据所述单手柄活动的机械角度，获取相应的控制命令，并发送相应控制命令；
31.s2.接收目标船的航速和航迹向的实时数据；
32.s3.判断控制命令类别，并根据控制命令类别判断实时数据与控制命令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制法调整目标船的航速和航迹向的实时数据至与控制命令相匹配。
33.优选的，所述模糊pid控制法包括以下内容：
34.步骤一：根据增量式pid控制算法原理，确定航速和航向控制的螺旋桨转速和舵角控制增量δu(k)，即：
35.δu(k)＝u(k)
‑
u(k
‑
1)
36.＝k
p
[e(k)
‑
e(k
‑
1)] k
i
e(k) k
d
[e(k)
‑
2e(k
‑
1) e(k
‑
2)]
[0037]
其中,u(k)表示当前时刻的控制指令，u(k
‑
1)表示上一时刻的控制指令；e(k)、e(k
‑
1)和e(k
‑
2)分别表示当前时刻、上一时刻和上上时刻的实际航向或航速与指令航向或航速的偏差；k
p
、k
i
和k
d
分别表示pid控制的比例系数、积分系数和微分系数；
[0038]
步骤二：以航速或航向误差e及误差变化率ec作为输入，运用模糊推理，自动实现对pid参数的最佳调整；
[0039]
设kp'、ki'和kd'为采用常规方法整定的k
p
、k
i
和k
d
的预整定值，最佳pid参数k
p
、k
i
和k
d
的计算方法为：
[0040]
k
p
＝k
p
′
δk
p
[0041]
k
i
＝k
i
′
δk
i
[0042]
k
d
＝k
d
′
δk
d
[0043]
式中，δk
p
、δk
i
和δk
d
为控制参数增量；
[0044]
步骤三：在对输入变量模糊化之前，根据输入变量e与ec的论域确定模糊化的量化因子；对于目标船舶的航速与航向的控制要求，确定航向误差与航速误差的论域为[
‑
20
°
,20
°
]与[
‑
2m/s,2m/s]，误差变化的论域为[
‑
2.5
°
/s,2.5
°
/s]与[
‑
0.2m/s2,0.2m/s2]，则四个输入变量的量化因子分别为：
[0045][0046]
其中，k
ψ
为航向误差的量化因子，为航向误差变化率的量化因子，k
u
为航速误差的量化因子，为航速误差变化率的量化因子；
[0047]
步骤四：为减小模糊推理的计算量，通过三角形隶属度函数对四个输入变量进行模糊化处理；偏差e以及偏差变化率ec的模糊子集均划为7档：
[0048]
e＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}
[0049]
ec＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}
[0050]
其中，nb表示负大，nm表示负中，ns表示负小，zo表示零，ps表示正小，pm表示正中，pb表示正大；
[0051]
输出pid控制参数增量的模糊子集划分为：
[0052]
δk
p
＝{zo,ps,pm,pb}
[0053]
δk
i
＝{zo,ps,pm,pb}
[0054]
δk
d
＝{zo,ps,pm,pb}
[0055]
基于pid控制参数对控制系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度各方面的影响，定义控制参数动态调整量δk
p
、δk
i
和δk
d
的模糊规则；
[0056]
步骤五：模糊推理过程采用mamdani规则，若为实现由输入量x∈p，y∈d得到输出量z∈u的推理过程，2条模糊控制规则语言为：
[0057]
r1:if x is p1 and y is d1 then z is u1；
[0058]
r2:if x is p2 and y is d2 then z is u2；
[0059]
推理运算如下：
[0060][0061][0062]
式中，符号λ指笛卡尔积，即进行取小运算的交集；和μ
u
(z)分别为x、y和z属于模糊集合p
i
、d
i
和u的隶属度；中间变量ω为x和y在各自模糊集合中隶属度的最大值的取小结果；由此得到ω截取的输出量隶属度函数曲线的并集；
[0063]
步骤六：利用重心法对输出量进行清晰化，即曲线所围面积的形心坐标：
[0064][0065]
根据上述过程，解算出δk
p
、δk
i
和δk
d
。
[0066]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法，本发明的单手柄发送航速、航向和航迹向指令的控制方法及装置，可让驾驶员通过设置在驾驶舱内的单手柄，控制船舶上安装的车、舵。直接将驾驶员的操作意图作为指令发送出去，结合船舶当前的运动状态，解算出最优的车、舵指令，高效实现航行目标。本发明极大地提高船舶操纵的便利性，简化操作流程，单手操纵，降低驾驶员的操纵强度。
附图说明
[0067]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0068]
图1附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置结构示意图；
[0069]
图2附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置的手柄结构示意图；
[0070]
图3附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统中的单手柄x轴机械运动输出电压与航迹向角度对应关系图；
[0071]
图4附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统中的单手柄y轴机械运动输出电压与航速对应关系图；
[0072]
图5附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统中的单手柄z轴机械运动输出电压与航向角对应关系图；
[0073]
图6附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统中模糊pid控制器的结构示意图；
[0074]
图7附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法的流程示意
图；
[0075]
其中，1
‑
单手柄，2
‑
开关按钮；3
‑
控制命令发送按钮，4
‑
显示屏；
[0076]
图8附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法中的偏差e的隶属度函数示意图；
[0077]
图9附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法中的偏差变化率ec的隶属度函数示意图；
[0078]
图10附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法中的参数δkp的隶属度函数示意图；
[0079]
图11附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法中的参数δki的隶属度函数示意图；
[0080]
图12附图为本发明提供的一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法中的参数δkd的隶属度函数示意图。
具体实施方式
[0081]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0082]
本发明实施例公开了一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置、系统及方法，具体包括以下内容：
[0083]
一种单手柄发送指令的车舵联合控制装置，包括单手柄和控制系统，单手柄与控制系统电连接；
[0084]
单手柄可旋动地设置于空间坐标系内，其中空间坐标系内的x轴设置为航迹向，y轴为速度，z轴为航向；
[0085]
控制系统检测单手柄在空间坐标系内旋动的角度，根据预设的单手柄机械角度与航速和航迹向角度对应关系图获取单手柄相应的控制命令，并接收目标船的航速和航迹向实时数据，当实时数据与控制命令不相符时，实现控制命令。
[0086]
图1中手柄可回中，详见图2，能实现x、y、z三个轴旋转，x轴设置为航迹向，y轴为速度，z轴为航向，其机械角度与航迹向、航速和航向的对照关系见表1，输出电压与指令对应关系见图3
‑
图5。
[0087]
表1
[0088]
手柄移动角度电气移动角度输出信号指令x：
±
30
°
x：
±
30
°0‑
5v航迹向y：
±
30
°
y：
±
30
°0‑
5v航速：
‑
6kn
‑
30knz：
±
180
°
z：
±
180
°0‑
5v航向：0
‑±
180
°
[0089]
该手柄握手食指位置的按钮用于启动单手柄操作模式，按下按钮则启动，顶端大拇指位置的按钮用于控制指令的发送，移动手柄到达期望指令位置，按下按钮则指令发送，松开按钮，结束发送指令，松手则手柄回中。
[0090]
为了进一步实施上述技术方案，单手柄上设置有开关按钮和控制命令发送按钮，
并且开关按钮与控制命令发送按钮与控制系统电连接。
[0091]
需要进一步说明的是，机械角度变化对应相应的输出电压，软件根据输出电压解算出对应的航迹向、航速和航向指令，该指令会在显示屏4上显示，便于用户实时观察指令。
[0092]
该装置还包括底板、dc/dc电源模块，i/o接口。电源模块提供设备用电，包括 24v、 12v和 5v；i/o接口接收来自惯性导航系统、环境感知传感器等外部信息，并将解算模块解算出的车舵指令隔离发送，i/o接口能提供的输入输出接口类型包括模拟量(电压、电流)、串口(usb、rs422、rs485)、以太网和can；还包括显示屏4，用于显示相应信息。
[0093]
本装置将传统单独发送车令、舵令的车钟和舵轮集成为单杆发送，发送指令为航速、航向和航迹等运动意图，自动分析当前船舶运动态势，给出最优的车、舵指令，直接高效的实现控制目标。
[0094]
一种单手柄发送指令的车舵联合控制系统，包括：联合控制模块、i/o模块和解算模块；
[0095]
联合控制模块，用于根据单手柄活动的机械角度，获取相应的控制命令，并实现相应控制命令的发送；
[0096]
i/o模块，用于接收目标船的航速和航迹向的实时数据，并将实时数据发送至解算模块；
[0097]
解算模块，用于判断控制命令类别，并根据控制命令类别判断实时数据与控制命令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制器调整目标船的航速和航迹向的实时数据至与控制命令相匹配。
[0098]
需要进一步说明的是，
[0099]
由按钮开关控制是否进入车舵联合控制模式，当按下开关进入车舵联合控制模式后，判断当前航速、航向和航迹轴是否机械角度为0
°
(通过电压判断)，当各个轴的机械角度不为0
°
时，进入相应的航速、航向或航迹模式。由各自软件模块实现闭环控制。
[0100]
为了进一步实施上述技术方案，联合控制模块包括：角度检测单元、角度转换单元和控制命令发送单元并依次连接；
[0101]
角度检测单元与单手柄电连接，用于检测单手柄旋动的机械角度；
[0102]
角度转换单元，用于根据预设的单手柄机械角度与航速和航迹向角度对应关系图，将单手柄旋动的机械角度转换为单手柄相应的控制命令；
[0103]
控制命令发送单元，用于将所获取到的控制命令发送至解算模块。
[0104]
为了进一步实施上述技术方案，i/o模块包括实时航速采集单元和实时航迹向采集单元；
[0105]
实时航速采集单元，用于采集目标船的实时航速信息，并发送至解算模块；
[0106]
实时航迹向采集单元，用于采集目标船的实时航迹向信息，并发送至解算模块。
[0107]
为了进一步实施上述技术方案，解算模块包括：指令判断单元、航速指令匹配单元、航向指令匹配单元和模糊pid控制器；
[0108]
指令判断单元，用于判断所接收到的控制命令的类别，并且在检测到当前控制命令为航速指令或航向指令时，直接将航速指令发送至航速指令匹配单元，将航向指令发送至航向指令匹配单元，当检测到当前控制命令为航迹向指令时，将航迹向指令转换为航向指令，并发送至航向指令匹配单元；
[0109]
航速指令匹配单元，用于获取目标船的实时航速信息，并判断实时航速信息与航速指令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制器将目标船的航速调整至航速指令；
[0110]
航向指令匹配单元，用于获取目标船的实时航迹向信息，并判断实时航迹向信息与航迹向指令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制器将目标船的航迹向调整至航迹向指令。
[0111]
为了进一步实施上述技术方案，如图6所示，模糊pid控制器包括误差计算单元、模糊推理单元和pid调节器；
[0112]
误差计算单元，用于计算航速、航向和航迹误差以及对应的误差变化率，并发送至模糊推理单元；
[0113]
模糊推理单元，用于根据所获取到的各误差及误差变化率以及模糊规则表，进行模糊化推理；
[0114]
pid调节器，用于根据模糊推理单元的结果对pid初始设定参数进行动态调整。
[0115]
一种单手柄发送指令的车舵联合控制方法，如图7所示，包括以下步骤：
[0116]
s1.根据单手柄活动的机械角度，获取相应的控制命令，并发送相应控制命令；
[0117]
s2.接收目标船的航速和航迹向的实时数据；
[0118]
s3.判断控制命令类别，并根据控制命令类别判断实时数据与控制命令是否相匹配，若是，则直接存档标记，若否，则通过模糊pid控制法调整目标船的航速和航迹向的实时数据至与控制命令相匹配。
[0119]
为了进一步实施上述技术方案，模糊pid控制法包括以下内容：
[0120]
由于水面航行船舶具有大惯性、时变、非线性等特征，其中有的参数未知或缓慢变化；有的带有延时和随机干扰，因而无法获得精确的数学模型。针对船舶的航向和航速控制，如果使用常规的pid控制器，pid参数较难整定。基于模糊数学的基本理论和方法，以航速、航向、航迹误差e及误差变化率ec作为输入，运用模糊推理，自动实现对pid参数的最佳调整。模糊pid控制是通过计算当前系统误差e和误差变化率ec，根据模糊规则表，选择适当的模糊化和去模糊化方法，可以对pid初始设定参数kp、ki、kd进行动态调整。
[0121]
步骤一：根据增量式pid控制算法原理，确定航速和航向控制的螺旋桨转速和舵角控制增量δu(k)，即：
[0122]
δu(k)＝u(k)
‑
u(k
‑
1)
[0123]
＝k
p
[e(k)
‑
e(k
‑
1)] k
i
e(k) k
d
[e(k)
‑
2e(k
‑
1) e(k
‑
2)]
[0124]
其中,u(k)表示当前时刻的控制指令，u(k
‑
1)表示上一时刻的控制指令。e(k)、e(k
‑
1)、e(k
‑
2)分别表示当前时刻、上一时刻和上上时刻的实际航向(航速)与指令航向(航速)的偏差。k
p
、k
i
、k
d
分别表示pid控制的比例系数、积分系数和微分系数。
[0125]
由于船舶的模型参数和模型结构会随着外部的风、浪、流以及船体自身运动状态的影响而发生改变，pid控制参数需要能根据上述变化自适应调整。此处，采用模糊控制思想，实现对pid参数的最佳调整。
[0126]
步骤二：以航速(航向)误差e及误差变化率ec作为输入，运用模糊推理，自动实现对pid参数的最佳调整；
[0127]
设kp'、ki'、kd'为采用常规方法整定的k
p
、k
i
和k
d
的预整定值，最佳pid参数k
p
、k
i
、
k
d
的计算方法为：
[0128]
k
p
＝k
p
′
δk
p
[0129]
k
i
＝k
i
′
δk
i
[0130]
k
d
＝k
d
′
δk
d
[0131]
式中，δk
p
、δk
i
、δk
d
为控制参数增量；
[0132]
步骤三：在对输入变量模糊化之前，根据输入变量e与ec的论域确定模糊化的量化因子；对于目标船舶的航速与航向的控制要求，确定航向误差与航速误差的论域为[
‑
20
°
,20
°
]与[
‑
2m/s,2m/s]，误差变化的论域为[
‑
2.5
°
/s,2.5
°
/s]与[
‑
0.2m/s2,0.2m/s2]，则四个输入变量的量化因子分别为：
[0133][0134]
其中，k
ψ
为航向误差的量化因子，为航向误差变化率的量化因子，k
u
为航速误差的量化因子，为航速误差变化率的量化因子。
[0135]
步骤四：为减小模糊推理的计算量，通过三角形隶属度函数对四个输入变量进行模糊化处理；偏差e以及偏差变化率ec的模糊子集均划为7档：
[0136]
e＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}
[0137]
ec＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}
[0138]
其中，nb表示负大，nm表示负中，ns表示负小，zo表示零，ps表示正小，pm表示正中，pb表示正大。e与ec用三角形隶属度函数表示如图8和图9所示。
[0139]
输出pid控制参数增量的模糊子集划分为：
[0140]
δk
p
＝{zo,ps,pm,pb}
[0141]
δk
i
＝{zo,ps,pm,pb}
[0142]
δk
d
＝{zo,ps,pm,pb}
[0143]
隶属度函数如图10
‑
12所示。
[0144]
基于pid控制参数对控制系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度各方面的影响，定义控制参数动态调整量δk
p
、δk
i
和δk
d
的模糊规则如下；
[0145]
表1 δk
p
参数的模糊规则表
[0146]
[0147][0148]
表2 δk
i
参数的模糊规则表
[0149]
序号e\ki\ecnbnmnszopspmpb1nbzozozozozozozo2nmpspspspspspsps3nspmpmpmpmpmpmpm4zopbpbpbpbpbpbpb5pspmpmpmpmpmpmpm6pmpspspspspspsps7pbzozozozozozozo
[0150]
表3 δk
d
参数的模糊规则表
[0151]
序号e\kd\ecnbnmnszopspmpb1nbpbpbpbpbpbpbpb2nmpmpmpmpmpmpmpm3nspspspspspspsps4zozozozozozozozo5pspspspspspspsps6pmpmpmpmpmpmpmpm7pbpbpbpbpbpbpbpb
[0152]
步骤五：模糊推理过程采用mamdani规则，若为实现由输入量x∈p，y∈d得到输出量z∈u的推理过程，2条模糊控制规则语言为：
[0153]
r1:if x is p1 and y is d1 then z is u1；
[0154]
r2:if x is p2 and y is d2 then z is u2；
[0155]
推理运算如下：
[0156][0157][0158]
式中，符号λ指笛卡尔积，即进行取小运算的交集；和μ
u
(z)分别为x、y、z属于模糊集合p
i
、d
i
和u的隶属度；中间变量ω为x和y在各自模糊集合中隶属度的最大值的取小结果；由此得到ω截取的输出量隶属度函数曲线的并集；
[0159]
步骤六：利用重心法对输出量进行清晰化，即曲线所围面积的形心坐标：
[0160][0161]
根据上述过程，解算出δk
p
、δk
i
和δk
d
。
[0162]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0163]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。