专利名称：一种实验型无人水面船的控制结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及船舶自动控制领域，具体为ー种实验型无人船的控制结构。
背景技术：
无人水面船的运动控制是目前国际控制领域研究的热点问题之一，研究内容涉及点镇定、轨迹跟踪、航路点跟踪、路径跟踪、编队协同 等，具有重要的理论研究和工程应用价值。水上实验是无人水面船的运动控制研究的重要步骤，其目的是验证控制算法的有效性，并对算法的工程应用价值进行检验。传统的无人船采用预编程自主控制模式，即从岸上控制器向无人水面船发送控制指令，包括航行速度、航路任务、控制參数等，由船上控制器依据传感器系统采集到的无人水面船运动參数，包括经纬度、速度、航向角等，完成运动控制解算后驱动推进器、舵机等执行机构。预编程自主控制模式的优点是自主性強，运动过程中通信量少，但运动控制算法完全由船上控制器实现，当需要修改运动控制算法时需要重新中断实验，将船上控制计算机与软件开发上位机连接以完成软件的编译和下载，这在实验过程中实施较为困难，尤其是野外实验，这对于需要频繁修改控制算法的验证实验来说是难以接受的。
发明内容
要解决的技术问题为解决现有技术存在的难以快捷地修改运动控制算法的问题，本发明提出了ー种实验型无人船的控制结构。技术方案本发明的技术方案为所述ー种实验型无人船的控制结构，包括岸上模块、船上模块、导航传感器和船体推进与操纵机构，其特征在干岸上模块包括岸上通信模块、航行參数显示模块、运动控制模块和任务规划模块；船上模块包括船上通信模块、数据采集接收模块、执行机构驱动模块；任务规划模块将任务指令通过运动控制模块转变为驱动指令后，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体运动；船体运动后，由数据采集接收模块按设定的控制周期采集导航传感器测得的船体运动參数信息，船上通信模块将船体运动參数信息传递到岸上通信模块，由航行參数显示模块将船体运动參数信息显示，由运动控制模块根据船体运动參数信息进行无人船的运动控制解算，得到船体运动的驱动指令，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体按照控制要求运动。所述ー种实验型无人船的控制结构，其特征在于船上通信模块与岸上通信模块采用半双エ无线通信方式连接。
有益效果本发明的优点是，无人水面船的船上控制计算机仅完成传感器数据的采集和无人水面船推进器和舵机的驱动，其功能完全由无人水面船的硬件系统决定，不需做任何修改。而岸上控制计算机则实现无人水面船的运动控制功能，实验过程中仅需修改岸上控制软件即可完成运动控制算法的修改和验证，而不需修改船上控制软件，便于开展无人水面船的运动控制实验研究。
图I :本发明的无人水面船控制系统结构；图2 :实施例的控制系统框图。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明无人水面船载体本身可根据不同航行控制实验需求进行设计制造或选用已有型号，实施例中采用河南新舟游艇公司制造的単体游艇模型。实验型无人船的控制结构包括岸上模块、船上模块、导航传感器和船体推进与操纵机构。岸上模块包括岸上通信模块、航行參数显示模块、运动控制模块和任务规划模块；船上模块包括船上通信模块、数据采集接收模块、执行机构驱动模块。岸上模块的控制计算机采用联想ThinkPad X61笔记本电脑，通信模块采用美国Digi公司的XStream数传电台模块，控制计算机通过USB-RS232转换器与通信模块的串ロ连接，运动控制软件采用Microsoft Studio 2008集成开发软件编译,控制算法包括航路点跟踪和路径跟踪控制。船上模块的控制计算机由PC104嵌入式エ控机构成，其中CPU模块采用深圳盛博科技有限公司的DX486模块，具有4个RS232串行通信接ロ，DA转换模块采用美国Diamond公司的DMM16-AT模块。无人水面船运动传感器采用荷兰Xsens Technologies B. V.公司的MTi微型方位姿态參考系统，通过COM3串行通信端ロ与DX486模块连接，GPS接收机采用北京星网宇达科技开发有限公司自主开发的的XWGPS1000型高精度动态接收机，通过COM2串行通信端ロ与DX486模块连接。无人水面船执行机构采用尾部安装的两台型直流螺旋桨推进器，型号为美国Tecnadyne公司生产的MODEL 520型推进器，该推进器采用模拟电压控制转速，左右推进器分别由DMM16-AT模块DoutO和Doutl模拟量输出端ロ控制。本实施例中将无人船的运动控制模块由传统的置于船上控制计算机改到置于岸上控制计算机，从而由岸上控制计算机完成无人船的运动控制，依据航行任务直接产生船上推进与操纵机构的驱动指令。操作人员在岸上控制计算机完成航行任务制定后，任务规划模块将任务指令通过运动控制模块转变为驱动指令后，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体开始航行。船体航行后，由数据采集接收模块按设定的控制周期采集导航传感器测得的船体运动參数信息，并按照规定好的协议由船上通信模块将船体运动參数信息传递到岸上通信模块，由航行參数显示模块将船体运动參数信息显示，供操作人员对运动状态进行监控，并由运动控制模块根据船体运动參数信息进行无人船的运动控制解算，得到船体运动的驱动指令，由岸上通信模块按照相应的协议将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体按照控制要求运动。船上控制器与岸上控制器之间的无线通信协议定义如下。(I)船上控制器向岸上控制器发送运动状态信息，由字符串构成，具体包括经讳度信息-*P0S, +ddd, mm, ss. s, +dd, mm, ss. s, V/A, X~,其中，*、' 分别为字符
串的头字符和尾字符，POS为关键词，+ddd, mm, ss. s为经度的度、分、秒值，+dd, mm, ss. s为纬度的度、分、秒值，V/A表示GPS信息是否有效，A表示有效，V表示无效，X为校验字符，为前面除*外的所有字符累加和。航速信息——*SPD，ss. ss, X~，其中，*、·'分别为字符串的头字符和尾字符，SPD为 关键词，ss. SS为速度值，X为校验字符,为前面除*外的所有字符累加和。航向信息——*PSI，ppp.pp，X~，其中，*、~分别为字符串的头字符和尾字符，PSI为关键词，PPP · PP为航向角值，X为校验字符，为前面除*外的所有字符累加和。(2)岸上控制器向船上控制器发送驱动指令，由字符串构成，具体包括开始航行指令——*STR，X~，其中，*、·'分别为字符串的头字符和尾字符，STR为关键词。停止航行命令——*STP，X~，其中，*、■'分别为字符串的头字符和尾字符，STP为关键词。电机驱动指令——*THR, I. 11，r. rr, X~，*、■'分别为字符串的头字符和尾字符，THR为关键词，I. 11为左推进器电压，r. rr为右推进器电压。 无人水面船在航行过程中，船上PC104控制计算机以O. I秒为控制周期，采集来自MTi方位姿态參考系统和GPS接收机的数据，从中提取船体的经纬度、航行速度、航向角等信息，然后按照规定的协议，通过船上XStream数传电台通过无线通信发送给岸上XStream数传电台，经USB-RS232转换器后由控制计算机接收，控制计算机上运行无人水面船控制软件，实现各种运动控制算法，由研究人员编制，本实施例中包含了路径跟踪控制、航路点跟踪控制等算法，控制解算得到无人水面船的左右推进器驱动电压，按照电机驱动指令通信协议，通过岸上XStream数传电台通过无线通信发送给船上XStream数传电台后，由船上PC104控制计算机接收，DMM16-AT模块完成DA转换后通过DoutO和Doutl模拟量输出端ロ输出给左右推进电机控制器，分别驱动左右推进电机的转动。
权利要求
1.一种实验型无人船的控制结构，包括岸上模块、船上模块、导航传感器和船体推进与操纵机构，其特征在干岸上模块包括岸上通信模块、航行參数显示模块、运动控制模块和任务规划模块；船上模块包括船上通信模块、数据采集接收模块、执行机构驱动模块；任务规划模块将任务指令通过运动控制模块转变为驱动指令后，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体运动；船体运动后，由数据采集接收模块按设定的控制周期采集导航传感器测得的船体运动參数信息，船上通信模块将船体运动參数信息传递到岸上通信模块，由航行參数显示模块将船体运动參数信息显示，由运动控制模块根据船体运动參数信息进行无人船的运动控制解算，得到船体运动的驱动指令，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递给执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体按照控制要求运动。
2.根据权利要求I所述的ー种实验型无人船的控制结构，其特征在于船上通信模块与岸上通信模块采用半双エ无线通信方式连接。
全文摘要
本发明提出了一种实验型无人船的控制结构，包括岸上模块、船上模块、导航传感器和船体推进与操纵机构；由数据采集接收模块按设定的控制周期采集导航传感器测得的船体运动参数信息，船上通信模块将船体运动参数信息传递到岸上通信模块，由航行参数显示模块将船体运动参数信息显示，由运动控制模块根据船体运动参数信息进行运动控制解算，得到船体运动的驱动指令，由岸上通信模块将驱动指令传递到船上通信模块，并由船上通信模块传递执行机构驱动模块，控制船体推进与操纵机构驱动船体按照控制要求运动。本发明实验过程中仅需修改岸上控制软件即可完成运动控制算法的修改和验证，而不需修改船上控制软件，便于开展无人水面船的运动控制实验研究。
文档编号G05D1/02GK102692924SQ20121014392
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月10日 优先权日2012年5月10日
发明者严卫生, 刘明雍, 崔荣鑫, 张福斌, 张立川, 彭星光, 王银涛, 高剑 申请人:西北工业大学