基于模型船的欠驱动无人船编队结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶航行控制技术领域，尤其涉及一种基于模型船的欠驱动无人船编队结构。
【背景技术】
[0002]海上活动日益繁忙，船舶运输量的增加导致船舶需求量的提升，如何安全、高效地进行货物运输或海事测量已成为航运领域研究的焦点。随着船舶智能化的提升，具有高效、减少人力成本的无人驾驶船舶将成为未来船舶发展的方向。此外，在现代船舶营运过程中，单个船舶难以完成诸如海上探测、侦查等复杂任务或者效率不高，因此船舶编队在军事和民用领域均有一定的应用需求。船舶编队是指编队的船舶保持队型，分工获取周围环境信息，进行信息融合，准确感知群体环境信息，从而保持或变换适当的队形。编队航行过程涉及复杂的数据处理、融合、最优化、人工智能等问题，目前相关的理论研究较多，但实船实验较少，亟待进一步研究。由于真实实验受客观条件的制约，研究船舶编队航行相关理论和技术需耗费较高的成本，且实验验证过程中可能由于对船舶缺乏了解或其他不确定因素导致实验失败甚至危险发生。因此基于模型船研究编队航行控制方法能够克服实船实验和传统仿真实验带来的问题。
【发明内容】
[0003]本发明针对船舶编队航行控制问题，提供一种基于模型船的欠驱动无人船编队结构，降低大型船舶编队实验的难度和成本。
[0004]本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种基于模型船的欠驱动无人船编队结构，其特征在于:包括若干条设置于模拟航道中的模型船，模拟航道中设置有模拟环境因素;其中一条模型船为主船，其它模型船为从船；
主船上设有主船仿真控制系统，从船上设有从船仿真控制系统，岸基上设有定位信息监控系统，主船仿真控制系统、从船仿真控制系统和定位信息监控系统通过网络连接；
定位信息监控系统包括用于捕捉模型船上标志灯从而对所有模型船进行图像识别定位的岸基摄像头，和对岸基摄像头采集的图像进行识别处理、得到主、从船定位信息的计算机；
主船仿真控制系统用于采集主船的航行状态和模拟环境因素信息，根据主、从船的航行状态和定位信息和模拟环境因素信息，计算主船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，控制主船的舵和螺旋桨，并且按预设的从船航线与主船航线的关系确定从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，发送给从船仿真控制系统；
从船仿真控制系统用于采集从船航行状态和模拟环境因素信息给主船仿真控制系统，从主船仿真控制系统接收从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，控制从船的舵和螺旋桨。
[0005]按上述方案，所述的主船仿真控制系统包括主船环境感知子系统和主船运动控制子系统；其中主船环境感知子系统用于采集主船的航行状态和模拟环境因素信息；主船运动控制子系统包括主船上位机、主船下位机和主船控制机构;主船上位机用于根据主、从船的航行状态和定位信息和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出主船的跟踪航线、设定航速及设定航向，建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据主船的模型船航行状态，与主船的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算主船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，并且按预设的从船航线与主船航线的关系确定从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令;主船下位机用于解析主船下一步航行所需的舵角和螺旋桨转速指令，生成主船的舵机控制信号和螺旋桨控制信号；主船控制机构用于根据主船下位机得到的控制信号控制主船的舵机和螺旋桨。
[0006]按上述方案，所述的从船仿真控制系统包括从船环境感知子系统和从船运动控制子系统；其中从船环境感知子系统用于采集从船航行状态和模拟环境因素信息;从船运动控制子系统包括从船上位机、从船下位机和从船控制机构；从船上位机用于接收从船航行状态和模拟环境因素信息并发送给主船仿真控制系统，接收主船仿真控制系统发送来的从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令;从船下位机用于解析从船下一步航行所需的舵角和螺旋桨转速指令，生成从船的舵机控制信号和螺旋桨控制信号；从船控制机构用于根据从船下位机得到的控制信号控制从船的舵机和螺旋桨。
[0007]按上述方案，所述的主船运动控制子系统和从船运动控制子系统分别还包括远程遥控模块，用于通过远程遥控操作进行应急保护。
[0008]按上述方案，所述的主船上位机和从船上位机还分别包括紧急避碰模块，用于接收当船螺旋桨转速、舵角值、当船与障碍物之间的距离值，判断是否需要紧急避碰，若需紧急避碰，立即生成避碰指令发送给当船下位机。
[0009]按上述方案，所述的主船环境感知子系统和从船环境感知子系统均包括用于识别当船船首和船尾的标志灯、用于识别障碍物的激光雷达、用于对障碍物进行定位的船载摄像头。
[0010]本发明的有益效果为:
1、本发明设计了一种基于模型船的欠驱动无人船编队航行编队结构，将研究成果在模型船上进行实验，降低大型船舶编队实验的难度和成本，为大型船舶编队操作控制提供例证，最终为船舶安全编队航行完成各种任务提供重要保障。
[0011]2、在不知晓新型编队控制方法在船舶实际编队航行中的运行情况的前提下，利用本发明平台进行编队模拟实验，操作简便，系统可控;每条模型船上均设有运动控制子系统，可随时选定其中一条为主船，并能够在试验中修改控制的方法，从而提高试验效果，为实际大型船舶编队操作控制提供数据支持。
[0012]3、可以增加编队船舶数量，具有可扩展性，为今后开展大型船舶编队进行航迹控制、海上测量、搜救等工作提供测试支持，实现了发明的通用性。
【附图说明】
[0013]图1是本发明一实施例的信息传递框架图。
[0014]图2是主船、从船环境感知子系统结构示意图。
[0015]图3是主船运动控制子系统结构框图。
[0016]图4是从船运动控制子系统结构框图。
[0017]图5是主船与从船之间的通信方式图。
[0018]图中:1-船载摄像头，2-主船标志灯，3-激光雷达，4-计算机，5-岸基摄像头，6_从船标志灯。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
[0020]本发明提供一种基于模型船的欠驱动无人船编队结构，如图1所示，包括若干条设置于模拟航道中的模型船，模拟航道中设置有模拟环境因素;其中一条模型船为主船，其它模型船为从船;主船上设有主船仿真控制系统，从船上设有从船仿真控制系统，岸基上设有定位信息监控系统，主船仿真控制系统、从船仿真控制系统和定位信息监控系统通过网络连接;定位信息监控系统包括用于捕捉模型船上标志灯从而对所有模型船进行图像识别定位的岸基摄像头，和对岸基摄像头采集的图像进行识别处理、得到主、从船定位信息的计算机;主船仿真控制系统用于采集主船的航行状态和模拟环境因素信息，根据主、从船的航行状态和定位信息和模拟环境因素信息，计算主船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，控制主船的舵和螺旋桨，并且按预设的从船航线与主船航线的关系确定从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，发送给从船仿真控制系统;从船仿真控制系统用于采集从船航行状态和模拟环境因素信息给主船仿真控制系统，从主船仿真控制系统接收从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，控制从船的舵和螺旋桨。
[0021 ]优选的，所述的主船仿真控制系统包括主船环境感知子系统和主船运动控制子系统；其中主船环境感知子系统用于采集主船的航行状态和模拟环境因素信息；主船运动控制子系统如图3所示，包括主船上位机、主船下位机和主船控制机构；主船上位机用于根据主、从船的航行状态和定位信息和模拟环境因素信息，进行航行规划，得出主船的跟踪航线、设定航速及设定航向，建立航向跟踪模型和轨迹跟踪模型，根据主船的模型船航行状态，与主船的跟踪航线、设定航速及设定航向进行比较，得出航线偏差、航向偏差及航速偏差，航向跟踪模型和轨迹跟踪模型结合航线偏差、航向偏差及航速偏差，计算主船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令，并且按预设的从船航线与主船航线的关系确定从船下一步航行所需的舵角及螺旋桨转速指令;主船下位机用于解析主船下一步航行所需的舵角和螺旋桨转速指令，生成主船的舵机控制信号和螺旋桨控制信号；主船控制机构用于根据主船下位机得到的控制信号控制主船的舵机和螺旋桨。
[0022]进一步优选的，所述的从船仿真控制系统包括从船环境感知子系统和从船运动控制子系统；其中从船环境感知子系统用于采集从船航行状态和模拟环境因素信息;从船运动控制子系统如图4所示，包括从船上位机、从船下位机和从船控制机构；从船上位机用于接收从船航行状态和模拟环境因素信息并发送给主船仿真控制系统，接收主