一种用于自航式浮式防波堤的自主航行控制系统及方法与流程

本发明属于无人自主浮式防波堤控制，尤其是一种用于自航式浮式防波堤的自主航行控制系统及方法。

背景技术：

1、防波堤的主要作用是进行消浪，保护港口建筑及船只。传统防波堤的造价及困难程度会因为水深的增加而迅速增大，但浮式防波堤不会因水深增加而增加其困难程度及造价，并且浮式防波堤会增强海水交换功能，保证海水环境安全，使浮式防波堤受到越来越多的关注，其已经成为当前海洋工程装备研发的热点。

2、浮式防波堤是一种布置于近海区域、由多个桥节拼接而成的桥式结构物，用于在岛岸之间运输物资、设备、车辆，在一些工程应用情况下可以用做舟桥使用。由于浮式防波堤主尺度大，采用半潜船等工程船运输成本高，同时架设浮式防波堤(舟桥)存在需要较多人员参与、架设过程复杂、架设时间长等问题。因此具备研制具有一定自主航行能力的浮式防波堤，能够自主移动、快速完成布置、快速回收，在实际工程中具有很大的应用前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于自航式浮式防波堤的自主航行控制系统及方法，自航式浮式防波堤通过数传电台接收到指定位置指令信息后，通过gps、北斗二代、组合导航设备和舵角传感器来实时采集浮式防波堤的位置信息、纵横摇信息、艏向角信息、实时舵角，并根据预定的地质位置指令信息以此来自动调整浮式防波堤的位置状态，使其始终在指定的位置范围内。解决因浮式防波堤易受海浪影响而偏离指定位置，造成通过拖船拖至指定位置所需高额的费用等问题。

2、本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

3、一种用于自航式浮式防波堤的自主航行控制系统，包括底层自主航行控制单元，底层自主航行控制单元通过串口rs422连接数传电台，接收远程发送过来的控制指令，同时给操控人员发送防波提航行状态信息；底层自主航行控制单元通过串口rs422连接组合导航和北斗二代，用于接收防波堤的航速信息、航向信息和位置信息；底层自主航行控制单元通过串口rs232连接gps和ais，用于接收防波堤的航速信息、航向信息、位置信息及周围船只位置信息；底层自主航行控制单元通过can总线连接柴油主机1和柴油主机2，用于接收主机发送过来的转速信息、油门开度信息、冷却水温度信息和机油压力信息，同时底层自主航行控制单元通过can总线进行控制柴油主机的开启与关闭和油门开度，达到远程控制柴油主机启停及控制柴油主机转速，最终达到控制防波堤的航速；底层自主航行控制单元通过adc连接舵角传感器，用于实时采集舵角传感器的舵角值，油主机1通过万向轴连接喷泵1，柴油主机2通过万向轴连接喷泵2，底层自主航行控制单元通过do电路连接电动液压泵转向装置，用于控制防波堤的航向；底层自主航行控制单元通过模拟量输出电路连接倒斗软轴推杆，通过控制倒斗软轴推杆控制倒斗位置进行切换前进档位、停车档位、后退档位，实现切换浮式防波堤的前进、停车和后退航行；电动液压泵转向装置和倒斗软轴推杆分别连接喷泵1和喷泵2。

4、而且，所述底层自主航行控制单元采用标准的6u cpci硬件板卡。

5、而且，所述底层自主航行控制单元包括stm32f767芯片和am4378核心板以及外围电路。

6、而且，所述adc舵角采集电路包括信号调理模块t5555p、三端稳压芯片lm78l09、ad转换芯片ad8552、第一静电抑制二极管pesd15vl2bt、第二静电抑制二极管pesd15vl2bt、第一双向二极管bav99、第二双向二极管bav99、瞬态抑制二极管smbj15a-tr及其外围电路；

7、do电路包括光耦tlp281-4及其外围电路；

8、can接口包括ctm1051(a)m及其外围电路。

9、一种用于自航式浮式防波堤的自主航行控制系统的控制方法，包括以下步骤：

10、步骤1、进入主程序；

11、步骤2、定义主程序中常量和变量，并将其初始化；

12、步骤3、声明并定义控制单元中各个模块的功能；

13、步骤4、初始化arm；

14、步骤5、使能timer、ad和串口设备的中断；

15、步骤6、等待中断，并判断是哪个设备进行了中断；

16、步骤7、若计时器中断，则进行步骤8；若串口接收中断，则进行步骤9；若ad中断，则进行步骤10；

17、步骤8、计时器中断处理函数，得到时间标志位，用于定时采集舵角，定时解析串口指令；

18、步骤9、串口中断处理函数，接收组合导航设备、北斗二代、gps、ais，柴油主机发送过来的位置信息、航向信息、时间信息、航速信息、主机转速、主机机油压力等信息；

19、步骤10、ad中断处理函数，采集舵角传感器得到舵角信息；

20、步骤11、底层航行控制单元根据舵角信息，组合导航设备，gps、ais输出位置信息、航向信息、时间信息、航速信息和舵角信息给出控制决策并发出控制指令；

21、步骤12、控制指令经can总线发送给柴油主机1和柴油主机2，控制油门开度达到控制航速的大小；控制指令反馈给底层自主控制单元、转向电磁阀、倒斗软轴推杆来控制防波堤的航向、航速和档位；

22、步骤13、根据组合导航设备，gps、ais等输出实时位置信息与岸基控制端发送的位置指令信息进行对比，确定自航式防波堤是否到达指定位置，若已经到达指定位置，则程序结束；若没有达到指定位置，则返回步骤6。

23、而且，所述步骤9中串口中断处理函数的具体实现方法为：通过串口接收gps、北斗设备、组合惯导和柴油主机输出水面量浮式防波堤的位置信息、航速信息、艏向角信息、主机转速、主机机油压力、主机冷却水温等信息，以此来进行航向控制。

24、而且，所述采用粒子群算法控制舵角输出浮式防波堤航向和控制柴油主机油门开度达到控制浮式防波堤航速控制的精确控制包括以下步骤：

25、步骤9.1、初始化粒子群，包括每个粒子的随机位置和个体速度；

26、步骤9.2、评价每个粒子当前位置的适应度值，并作为当前个体最佳位置pbest，选出当前群体最佳位置gbest；

27、步骤9.3、根据vi＝ωvi+c1×rand()×(pbesti-xi)+c2×rand()×(gbesti-xi)和xi＝xi+vi，其中，i＝1,2,3,…,n，n为种群中粒子数量；ω为惯性因子；vi为第i个粒子的速度；pbest和gbest分别是粒子群的局部最优位置和全体最优位置；rand()为(0,1)的随机数；xi为粒子当前位置；c1、c2为学习因子，更新每个粒子的速度和位置；

28、步骤9.4、评价粒子更新后，当前位置的适应度值，并与其经过的最好位置pbest的适应度值进行比较，如果当前位置的适应度值更大，则将当前位置作为pbest，并记录该适应度值；

29、步骤9.5、将所有粒子的最好位置的适应度值与群体最佳位置gbest进行比较，一旦出现比gbest好的位置，更新gbest为最好的位置，并记录该位置的适应度值。

30、步骤9.6、如果达到最大迭代次数或适应度函数达到阈值则将群体最优位置赋予kp，ki，kd，否则返回步骤9.3并进行下一轮迭代。

31、本发明的优点和积极效果是：

32、本发明由艇端底层自主航行控制单元、数传电台、ais、gps、北斗二代、组合导航设备、舵角传感器、柴油主机、喷水推进器、液压转向装置、电源模块及ups电池等构成。浮式防波堤在架设的过程中，通过遥控手柄给浮式防波堤发送自主航行指令，浮式防波堤通过数传电台接收到指令信息后，通过gps、北斗设备、组合导航设备和舵角传感器来实时采集浮式防波堤的位置信息、航速信息、航向信息，并根据预定的航行指令信息以此来调整浮式防波堤的航行状态，最终到达指定的位置。解决因浮式防波堤的人工架设难、架设时间长、易受水流影响、架设过程存在人员安全隐患等问题，减少工作人员参与架设浮式防波堤的人数，极大地提高浮式防波堤架设与回收的工作效率。自主航行控制方法采用粒子群算法，粒子群在线寻优整定pid算法控制较传统的pid控制在静态和动态上有更好的航向控制、航速控制性能，控制精度更高、调节时间更短、鲁棒性更好。