一种用于无人控制系统的非线性控制方法及装置与流程

1.本发明属于无人控制领域，尤其涉及一种用于无人控制系统的非线性控制方法及装置。


背景技术：

2.风能是海洋中能够长期持续存在的清洁能源，随着人类对海洋的开发利用逐渐深入，借助风能持续长距离航行的无人驾驶帆船逐渐得到广泛应用。
3.帆船航行主要利用风在吹过帆时的伯努利效应获得前进动力，但根据伯努利原理，帆船前进的动力与风向、风力、帆角有关且程非线性关系，因此如何动态的控制风向、风力、帆角等相关因素进而获得持续的动力对帆船自主航行至关重要。
4.现有技术中，针对无人船艇控制方式的相关专利主要有2个：
5.1)《一种无人帆船的自适应控制方法及系统》
6.该专利提到“一种无人帆船的自适应控制方法及系统，他通过获取帆船的方向参数，速度参数，以及相对于目标位置的距离参数，通过这些航行参数确定航向系数和船帆方向系数以准确调控帆船航向，重点解决无人帆船在航行过程中由于风向不稳定导致风向仪测量的数据不准确，无法得到准确的航行方案这一技术问题，进而提高无人帆船的航行效率”。
7.2)《智能无人帆船及其控制方法》
8.该专利提到“智能无人帆船，包括船体，桅杆，帆，以及动力系统，其中动力系统包括光伏发电板、电动机以及蓄电池，且智能无人帆船上设置风速传感器，从而实现提高无人帆船的储能性能，并提高使用安全性，其控制方式为，风向传感器实时监测外界环境的风速大小，当外界风满足智能航行时无人帆船被动式前行，帆升起，电动发电机则进行发电，当外界风不满足只能无人帆船被动式前行时，帆收起，电动机驱动叶轮转动，实现无人帆船的主动式前行。”9.现有技术方案与现有技术的缺点
10.1)专利1主要通过获取帆船的航行参数，以准确调控帆船的航向，提高无人帆船的航行效率，其方案侧重于提高无人帆船在航行中航行方案的准确性，此外该专利未对无人帆船的状态进行详细的分类，描述，如当无人帆船在航行过程中，帆船需要如何控制帆和舵动作未进行说明，且在整个过程中到底使用何种算法来进行舵和帆控制也未进行说明。
11.2)专利2则主要根据外界风的大小来控制帆的收放和电机的启停，控制无人帆船主动和被动航行，关于无人帆船在主动航行期间，帆到底如何控制也未说明，即如何控制帆才能高效控制无人帆船航行。


技术实现要素：

12.本发明的技术目的是提供一种用于无人控制系统的非线性控制方法及装置，以解决如何控制无人帆船舵机和帆动作的技术问题。
13.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
14.一种用于无人控制系统的非线性控制方法，包括如下步骤：
15.s1：获取gps坐标、行进航向、行进速度和风向信息，并通过判断公式获取当前无人帆船的状态，判断公式如下
[0016][0017]
其中，α为当前无人帆船的行进航向相对于自然坐标系的角度值，β为相对风向的角度值，(x1,y1)为当前无人帆船的坐标，(x2,y2)为目标点的坐标，为当前无人帆船坐标与目标点坐标的连线相对于自然坐标系的角度值，δ为对照角度与无人帆船的攻角相关。
[0018]
若|θ|值大于δ，则为正常状态，并进入步骤s5，若|θ|值小于δ，则为换舷状态，并进入步骤s2。
[0019]
s2：基于相对风向，判断当前无人帆船为顺风换舷或逆风换舷，若为顺风换舷，则进入步骤s3，若为逆风换舷则进入步骤s4。
[0020]
s3：若为顺风换舷，基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷，进而通过控制无人帆船的舵机和收缩机实现换舷，并返回至步骤s1。
[0021]
s4：若为逆风换舷，基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷，进而通过控制无人帆船的舵机和收缩机实现换舷,并返回至步骤s1。
[0022]
s5：基于角度值α、角度值得到舵角γ，基于舵角γ通过控制无人帆船的舵机以调整行进航向，基于相对风向得到帆的帆度角，基于帆度角通过控制无人帆船的收缩机实现帆松开以扩大受风面积或收紧以减少受风面积。
[0023]
s6：重复步骤s1至步骤s5，直至达到目标点的位置。
[0024]
s7：更新得到新的目标点，并重复步骤s1至s6，以实现无人帆船在不同目标点之间的航行。
[0025]
进一步优选地，步骤s2与步骤s4之间还包括以下步骤
[0026]
a1：判断当前无人帆船是否位于逆风航行区，若是则进入步骤a2，否则进入步骤s4。
[0027]
a2：设置预设票数为a或等于0,间隔时间为t，目标票数为b和c；
[0028]
当无人帆船距离目标点小于时，基于步骤s4判断得到无人帆船需要进行左舷转右舷，开始计时，每隔间隔时间t，预设票数a减去1，直至达到目标票数b，无人帆船进行换舷后进入步骤a3。
[0029]
当无人帆船距离目标点小于时，基于步骤s4判断得到无人帆船需要进行右舷转左舷，开始计时，每隔间隔时间t，预设票数0加上1，直至达到目标票数c，无人帆船进行换舷后进入步骤a3；
[0030]
其中，预设票数a，目标票数为b和c满足如下公式
[0031]
a
‑
b＝c
[0032]
a3：保持行进直至到达目标点。
[0033]
具体地，取一经目标点的风向线，以目标点为原点，沿风向线两侧分别作角度为最佳攻风角边长为10km的三角区，三角区为逆风航行区。
[0034]
其中，步骤s3具体包括如下步骤
[0035]
s31:基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷，若为右舷换左舷则进入步骤s32，若为左舷换右舷则进入步骤s33。
[0036]
s32：若当前无人帆船需要右舷换左舷，通过控制舵机实现左满舵，控制收缩机实现帆松开，并返回至步骤s1。
[0037]
s33：若当前无人帆船需要右舷换左舷，通过控制舵机实现右满舵，控制收缩机实现帆松开，并返回至步骤s1。
[0038]
其中，步骤s4具体包括如下步骤
[0039]
s41：基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷，若为右舷换左舷则进入步骤s42，若为左舷换右舷则进入步骤s43。
[0040]
s42：若当前无人帆船需要右舷换左舷，通过控制舵机实现右满舵，控制收缩机实现帆收紧，并返回至步骤s1。
[0041]
s43：若当前无人帆船需要左舷换右舷，通过控制舵机实现左满舵，控制收缩机实现帆收紧，并返回至步骤s1。
[0042]
具体地，在步骤s6中达到目标点的位置的判断公式如下
[0043][0044]
其中，dwp为当前无人帆船距离目标点的距离，r为接受半径，若dwp≤r，则无人帆船到达目标点并跳转至步骤s7，若dwp>r，则无人帆船未到达目标点并继续航行重复步骤s1至s5。
[0045]
具体地，对照角度δ的取值范围为45至90度之间。
[0046]
一种用于无人控制系统的非线性控制装置，包括采集模块、数据处理模块和执行模块。
[0047]
采集模块用于获取gps坐标、行进航向、行进速度和风向信息并输送至数据处理模块。
[0048]
数据处理模块通过判断公式获取当前无人帆船的状态，判断公式如下
[0049][0050]
其中，α为当前无人帆船的行进航向相对于自然坐标系的角度值，β为相对风向的角度值，(x1,y1)为当前无人帆船的坐标，(x2,y2)为目标点的坐标，为当前无人帆船坐标与目标点坐标的连线相对于自然坐标系的角度值，δ为对照角度与无人帆船的攻角相关。
[0051]
若|θ|值大于δ，则为正常状态，若|θ|值小于δ，则为换舷状态。
[0052]
基于相对风向，判断当前无人帆船为顺风换舷或逆风换舷，并判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷。
[0053]
基于角度值α、角度值得到舵角γ。
[0054]
基于相对风向得到帆的帆度角。
[0055]
执行模块受控于数据处理模块并控制无人帆船的舵机和收缩机实现换舷。基于舵角γ通过控制无人帆船的舵机以调整行进航向，基于帆度角通过控制无人帆船的收缩机以实现帆松开或收紧。
[0056]
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
[0057]
本发明通过采集gps坐标、行进航向、行进速度和风向信息判断无人帆船处于何种状态，并基于相对应的状态进行相对应对改变无人帆船航向和帆收紧与松开，从而实现自动地移动至目标点。本发明还提出逆风航行三角区，基于权重投票的逆风换舷控制机制，该机制能够避免无人帆船在逆风航行时，在目标点附近频繁转向，提高控制效率。
附图说明
[0058]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
[0059]
图1为本发明的一种用于无人控制系统的非线性控制方法流程示意图；
[0060]
图2为本发明的无人帆船状态分类；
[0061]
图3为本发明的多传感器融合基础运动控制流程图；
[0062]
图4为本发明的无人帆船航行过程中各角度之间的关系示意图；
[0063]
图5为本发明的无人帆船状态判断示意图；
[0064]
图6为本发明的无人帆船在逆风航行区域的航行示意图；
[0065]
图7为本发明的无人帆船在逆风航行区域内基于权重投票的航行示意图；
[0066]
图8为本发明的一种用于无人控制系统的非线性控制方法的逻辑流程示意图；
[0067]
图9为本发明的无人帆船顺风左舷换右舷示意图；
[0068]
图10为本发明的无人帆船顺风控帆示意图；
[0069]
图11为本发明的无人帆船逆风左舷换右舷示意图；
[0070]
图12为本发明的无人帆船逆风控帆示意图；
[0071]
图13为本发明的无人帆船与目标点距离和夹角示意图。
具体实施方式
[0072]
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0073]
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示
“
仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
[0074]
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于无人控制系统的非线性控制方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
[0075]
实施例1
[0076]
参看图1，本实施例提供一种用于无人控制系统的非线性控制方法，包括如下步骤：
[0077]
首先在步骤s1中，通过设置于无人帆船以及目标点的多个采集器收集信息。具体地，通过gps获取无人帆船和目标点的gps坐标，通过惯性传感器(imu)获取无人帆船行进航向、行进速度，通过风向仪获取无人帆船处的风向信息。将上述gps坐标、行进航向、行进速度和风向信息进行整合，并通过判断公式获取当前无人帆船的状态。
[0078]
参看图2至图5，在本实施例中，无人帆船的控制策略都是根据无人帆船自身所处的状态来确定，无人帆船根据自身的受风情况，其状态可分为2大类：normal(正常)和tack(换舷)，其中换舷状态又可分为：右舷换左舷和左舷换右舷，这里右舷换左舷的意思指的是无人帆船原本右舷受风现在变成左舷受风，左舷换右舷的意思指的是无人帆船原本左舷受风现在变成右舷受风。
[0079]
无人帆船的状态判断公式如下
[0080][0081]
其中，在二维平面图上，以正北方向为0度角，α为当前无人帆船的行进航向相对于正北方向的角度值，即imu的值，β为无人帆船的行进航向与风向仪之间的角度值，即相对风向的角度值，(x1,y1)为当前无人帆船的坐标，(x2,y2)为目标点的坐标，为当前无人帆船坐标与目标点坐标的连线相对于正北方向的角度值，即hwp。最终，将计算出来的θ角来判断无人帆船的状态，θ角的绝对值大于δ时为正常状态，可直接进入步骤s5，若|θ|值小于δ值时为换舷状态，后续进入步骤s2。δ为对照角度，δ的设置与无人帆船的攻角相关，具体地，对照角度δ的取值范围一般为45至90度之间。
[0082]
然后，进入步骤s2，根据相对风向，判断当前无人帆船为顺风换舷或逆风换舷，若为顺风换舷，则进入步骤s3，若为逆风换舷则进入步骤s4。
[0083]
在步骤s3中，参看图8、图9和图10，判断为顺风换舷后，首先基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船需要进行右舷换左舷还是左舷换右舷。若当前无人帆船需要右舷换左舷，则通过控制舵机实现左满舵，控制收缩机使帆处于完全松开状态，即展开帆以扩大受风面积。若当前无人帆船需要右舷换左舷，则通过控制舵机实现右满舵，相同的是，控制收缩机使帆处于完全松开状态，展开帆以扩大受风面积。当无人帆船满足换舷结束状态时，结束换舷，回到正常航行状态，可理解为回到步骤s1继续采集数据并等待至下一次换舷。否则重复步骤s3进行再次换舷。
[0084]
参看图6和图7，在本实施例中，较优地，步骤s2与步骤s4之间还存在特殊情况，具体包括以下步骤，首先在步骤a1中，需要判断换舷状态下的无人帆船是否位于逆风航行区，若是则进入步骤a2，否则进入步骤s4。逆风航行区的定义如下，经目标点画一条风向线，风
向线沿风来的方向，左右两侧各取一个最佳攻风角，边长长度为10km，将这样的一个等腰三角行区域定义为逆风航行区。其中，最佳攻风角是本领域的专业词语，最佳攻风角它反应了帆船航行性能，一般在帆船下水实际航行后，由经验获得，因此不作过多解释和限定。参看图6，在逆风航行区中，无人帆船会采用“z”字航行策略，但是使用此方式航行，当无人帆船接近目标点时，就会存在一个频繁换向的问题。因此，在后续步骤a2和a3中采取一种权重投票机制来解决这个问题。
[0085]
参考图7，在步骤a2中，当无人帆船距离目标点小于投票半径时，即图7中的灰色缓冲区，便会开启权重投票机制。设置预设票数为a或等于0,间隔时间为t，目标票数为b和c。具体内容如下。当无人帆船在灰色缓冲区需要左舷转右舷时，此时预设票数从a开始，每间隔一段时间减小1，间隔时间t可根据具体情况进行设置，如每秒或每10ms，逐渐减小至b，此时无人帆船才进入换舷状态。当无人帆船需要右舷转左舷时，此时预设票数从0开始，每间隔一段时间加1，逐渐增加至c，无人帆船进入换舷状态，同时a、b、c需要满足如下公式
[0086]
a
‑
b＝c
[0087]
以保证无人帆船进入换舷状态的时间相同，可举例说明上述a值可为50，相对应的b值可为15，c值可为35。在完成一次换舷之后，即在步骤a3中，无人帆船就保持当前航行状态不变，直到到达目标点。此处的投票机制主要起到一个延时换舷目的，从而避免无人帆船在逆风航行时，在目标点附近频繁转向，让无人帆船能保持当前姿态多前行一段距离，进而提高在逆风航行区的效率。
[0088]
参看图11和图12，在步骤s4中，若为普通区域的逆风换舷，基于当前无人帆船的坐标和目标点的坐标，判断当前无人帆船需要右舷换左舷还是左舷换右舷。与顺风情况相反，若当前无人帆船需要右舷换左舷，通过控制舵机实现右满舵，控制收缩机实现帆完全收紧，即通过收紧帆以减少受风面积。若当前无人帆船需要左舷换右舷，通过控制舵机实现左满舵，控制收缩机实现帆完全收紧以减少受风面积。当无人帆船满足换舷结束状态时，结束换舷，回到正常航行状态，可理解为回到步骤s1继续采集数据并等待至下一次换舷。否则重复步骤s4进行再次换舷。
[0089]
参看图8，步骤s5中，无人帆船处于正常状态时，通过pid实现对无人帆船舵的控制，输入角度值α、角度值得到舵角γ，然后将舵角γ映射到控制舵机转动的pwm值上，从而控制舵机动作以调整行进航向。帆则依靠不同相对风向的帆度表实现对帆的控制，基于相对风向得到帆的帆度角，然后将帆度角映射到控制收缩机转动的pwm值上，基于帆度角通过控制无人帆船的收缩机以实现帆松开或收紧。
[0090]
步骤s6中，重复步骤s1至步骤s5，使无人帆船不断地在正常模式和换舷模式之间切换，最终到达目标点的位置。
[0091]
参看图13，具体地，在步骤s6中达到目标点的位置的判断公式如下
[0092][0093]
其中，dwp为当前无人帆船距离目标点的距离，r为接受半径，在本实施例中接受半径r可设置为5m，若dwp≤r，则认为无人帆船到达目标点并跳转至步骤s7，若dwp>r，则无人帆船未到达目标点并继续航行重复步骤s1至s5。
[0094]
在步骤s7中，到达一目标点后，更新得到新的目标点，并重复步骤s1至s6，以实现
无人帆船在不同目标点之间的航行。
[0095]
实施例2
[0096]
参看图3和图8，本实施例提供一种基于实施例1的一种用于无人控制系统的非线性控制装置，该装置采用如实施例1中任意一项要求的一种用于无人控制系统的非线性控制方法。
[0097]
一种用于无人控制系统的非线性控制装置，包括采集模块、数据处理模块和执行模块。
[0098]
采集模块包括用于获取gps坐标的gps、用于获取行进航向和行进速度的惯性传感器和风向信息的风向仪，将采集到的数据输送至数据处理模块。
[0099]
数据处理模块通过判断公式获取当前无人帆船的状态，判断公式如下
[0100][0101]
其中，α为当前无人帆船的行进航向相对于自然坐标系的角度值，β为相对风向的角度值，(x1,y1)为当前无人帆船的坐标，(x2,y2)为目标点的坐标，为当前无人帆船坐标与目标点坐标的连线相对于自然坐标系的角度值，δ为对照角度与无人帆船的攻角相关。
[0102]
若|θ|值大于δ，则为正常状态，若|θ|值小于δ，则为换舷状态。
[0103]
基于相对风向，判断当前无人帆船为顺风换舷或逆风换舷，并判断当前无人帆船应当为右舷换左舷或左舷换右舷。
[0104]
基于角度值α、角度值得到舵角γ。
[0105]
基于相对风向得到帆的帆度角。
[0106]
执行模块受控于数据处理模块的命令，通过控制无人帆船的舵机和收缩机实现换舷。具体地，基于舵角γ，通过控制无人帆船的舵机以调整行进航向，基于帆度角通过控制无人帆船的收缩机以实现帆松开或收紧。
[0107]
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。