本發(fā)明屬于海事安全領域，具體涉及一種基于風能驅動的無人船及其航行控制方法。

背景技術：

利用船舶上所攜帶的各種設備，可完成對島礁、河流、航道、水庫、港灣區(qū)域測量和監(jiān)測，海事部門或相關機構可利用獲得的測量數(shù)據(jù)用于地形地貌繪制、流速流量計算、遇險船舶或人員搜救等。然而，現(xiàn)今的上述任務都是由人工完成。遠距離遙控船舶在進行作業(yè)時，操控人員可能會因為視線或操控距離等因素的影響，產生判斷失誤，導致風險的發(fā)生。

隨著智能控制技術的發(fā)展，海事部門及相關機構對能自主航行的無人船的關注度也越來越高。現(xiàn)有無人船動力系統(tǒng)一般為電力驅動或者使用小型汽油發(fā)動機，航程短、續(xù)航時間有限是其普遍存在的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種基于風能驅動的無人船及其航行控制方法，能夠保證長時間續(xù)航而無需燃料補給。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于風能驅動的無人船，包括船體，船體的尾部設有舵，船體內設有航行控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的船體上設有桅桿，桅桿上設有主帆和前帆；本無人船還包括太陽能供電系統(tǒng)、環(huán)境感知設備和定位裝置；其中，

所述的太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板和儲能裝置，儲能裝置的輸出端分別與環(huán)境感知設備、定位裝置和航行控制系統(tǒng)連接；

所述的環(huán)境感知設備包括激光雷達、雷達、紅外攝像頭、風向風速傳感器，其中激光雷達設置在船體艏部的自穩(wěn)云臺上，雷達和紅外攝像頭設置在桅桿頂部，風向風速傳感器設置在桅桿上；

所述的航行控制系統(tǒng)包括用于根據(jù)環(huán)境感知設備采集的信息、定位裝置的實時定位信息、以及預設的任務重點位置規(guī)劃路徑的船載處理器，以及用于根據(jù)船載處理器的結果控制主帆、前帆與風向之間的角度和舵角的PID控制器。

按上述方案，所述的太陽能電池板設置在主帆、前帆和/或船體的甲板上。

一種上述基于風能驅動的無人船的航行控制方法，其特征在于：它包括：

根據(jù)輸入的任務重點位置和定位裝置獲取的船體當前所在位置，規(guī)劃船體的航行路徑；

根據(jù)規(guī)劃的航行路徑，結合船體實時的航向和航速、風向，根據(jù)伯努利效應，計算得出船體按照航行路徑航行時主帆、前帆分別與風向之間的角度，同時實時獲取風向與船體的航行路徑的角度偏差值，通過PID控制器實時調整主帆、前帆與風向之間的角度以及舵角；

當有礙航物出現(xiàn)時，利用人工勢場理論，計算礙航物的斥力場分布范圍，并與所規(guī)劃的航行路徑相比較，若礙航物斥力場分布范圍波及到航行路徑，則利用A^*算法計算一條避開礙航物的最短路徑，避開礙航物之后，重新回到原航行路徑上繼續(xù)航行。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明利用帆船這一古老的水上交通工具，利用風能作為驅動力，只需要采集一些太陽能以供航行控制系統(tǒng)的運行即可，實現(xiàn)污染物零排放，并且能夠保證長時間續(xù)航而無需燃料補給，通過調節(jié)風帆的位置和角度，即使在逆風情況下也能順利航行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的控制原理圖。

圖3為礙航物斥力場分布示意圖。

圖4為A^*算法路徑規(guī)劃示意圖。

圖5為PID控制流程示意圖。

圖中：1-船體，2-舵，3-航行控制系統(tǒng)，4-桅桿，5-主帆，6-前帆，7-太陽能電池板，8-雷達和紅外攝像頭，9-風向風速傳感器，10-激光雷達，11-定位裝置。

具體實施方式

下面結合具體實例和附圖對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明提供一種基于風能驅動的無人船，如圖1所示，包括船體1，船體1的尾部設有舵2，船體1內設有航行控制系統(tǒng)3，船體1上設有桅桿4，桅桿4上設有主帆5和前帆6；本無人船還包括太陽能供電系統(tǒng)、環(huán)境感知設備和定位裝置11；其中，所述的太陽能供電系統(tǒng)包括太陽能電池板7和儲能裝置，儲能裝置的輸出端分別與環(huán)境感知設備、定位裝置11和航行控制系統(tǒng)3連接；所述的環(huán)境感知設備包括激光雷達10、雷達和紅外攝像頭8、風向風速傳感器9，其中激光雷達10設置在船體1艏部的自穩(wěn)云臺上，雷達和紅外攝像頭8設置在桅桿4頂部，風向風速傳感器9設置在桅桿4上；航行控制系統(tǒng)3包括用于根據(jù)環(huán)境感知設備采集的信息、定位裝置的實時定位信息、以及預設的任務重點位置規(guī)劃路徑的船載處理器，以及用于根據(jù)船載處理器的結果控制主帆、前帆與風向之間的角度和舵角的PID控制器。

所述的太陽能電池板7設置在主帆5、前帆6和/或船體1的甲板上。本實施例中，定位裝置11為GPS裝置，安裝于船體1的甲板上合適位置。雷達的探測量程根據(jù)實際情況設置，一般設置為10-12海里；紅外攝像頭白天在常規(guī)模式下工作，夜間切換至熱成像模式工作。本實施例使用了三軸自穩(wěn)云臺，能保證在無人船自主航行時，船體起伏搖擺的情況下，激光雷達發(fā)射的信號不會隨著船體起伏搖擺，能始終保持激光雷達信號水平指向無人船航向的正前方。

一種上述基于風能驅動的無人船的航行控制方法，如圖2所示，包括：

根據(jù)輸入的任務重點位置和定位裝置獲取的船體當前所在位置，規(guī)劃船體的航行路徑；

根據(jù)規(guī)劃的航行路徑，結合船體實時的航向和航速、風向，根據(jù)伯努利效應，計算得出船體按照航行路徑航行時主帆、前帆分別與風向之間的角度，同時實時獲取風向與船體的航行路徑的角度偏差值，通過PID控制器實時調整主帆、前帆與風向之間的角度以及舵角；

當有礙航物出現(xiàn)時，利用人工勢場理論，計算礙航物的斥力場分布范圍，并與所規(guī)劃的航行路徑相比較，若礙航物斥力場分布范圍波及到航行路徑，則利用A^*算法計算一條避開礙航物的最短路徑，避開礙航物之后，重新回到原航行路徑上繼續(xù)航行。

圖3為礙航物斥力場分布示意圖，當感知系統(tǒng)探測到無人帆船自主航行航線上出現(xiàn)礙航物時，利用人工勢場理論，計算礙航物斥力場分布范圍。中間凸起表示高碰撞風險區(qū)域，平坦部分表示低碰撞風險區(qū)域。斥力場分布區(qū)域由礙航物實際外形尺寸確定，且不能過大或過小。

圖4為A^*算法路徑規(guī)劃示意圖，以無人船當前位置為起點，經過碰撞風險區(qū)域后已規(guī)劃路徑上任意一點為終點，尋找起點周圍可以到達的方格，從起點開始，每移動一格，原先占據(jù)的方格不再作為下一到達方格的備選項，碰撞風險區(qū)域所占據(jù)方格也不作為移動到達方格備選項，直至到達設定終點結束。新路徑總的損耗由起點到指定方格的移動損耗和從指定方格到終點的預計損耗共同決定，其原則為總損耗最小。

圖5為PID控制流程示意圖，首先得出無人帆船能按照規(guī)劃路徑航行時帆與風向應保持的角度，同時實時獲取風向與無人帆船自主規(guī)劃路徑的角度偏差值，對主帆及前帆進行角度調節(jié)，同時根據(jù)需要對船舵偏角進行調節(jié)，并實時進行反饋修正。

在具體控制時，主帆5、前帆6、主帆索、前帆索、前支索、帆下拉索、舵2等均由電機控制，電機由PID控制器控制。在主帆5、前帆6、舵2上設置角度傳感器，用于實時感知它們的位置變化，便于航行控制系統(tǒng)3的控制。

帆船作為一種古老的水上交通運輸工具，利用自然界中能循環(huán)再生的風能作為驅動力，相比較于使用常規(guī)動力驅動的船舶，帆船能保證污染物零排放，且能保證長時間續(xù)航而無需燃料補給。通過調節(jié)風帆的位置和角度，即使在逆風情況下也能順利航行。

無人船在作業(yè)時，利用船載GPS裝置及電子海圖確定自身當前所在位置，不斷比較當前坐標與任務設置終點坐標，利用架設在無人船上的風向及風速傳感器，感知無人帆船航行時風的實時變化情況，根據(jù)船載處理器規(guī)劃的航行路徑，結合無人帆船自身的航向和航速，通過自動控制器實時調整主帆、前帆與風向的角度以及舵角，用以保證無人帆船能按照規(guī)劃路徑航行并到達終點。

無人船船載電子設備，可通過太陽能電池提供。太陽能電池可鋪設在無人帆船甲板、主帆、前帆等位置。在氣象條件允許的情況下，為船載電子設備提供所需電量，并做相應的電量儲備。在夜間無風且儲備電量不足以維持所有船載電子設備工作的情況下，可將無人帆船切換至休眠狀態(tài)，僅保證GPS設備向岸基控制中心報告當前所在坐標，直至太陽能電池板重新工作或氣象條件能保證無人帆船繼續(xù)穩(wěn)定航行。

綜上，本無人船去除了所有常規(guī)驅動系統(tǒng)，使用風能作為航行時的驅動力，既能做到污染物零排放，且能自行補充維持正常工作所需的能源，并根據(jù)任務要求自主規(guī)劃路徑。

以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設計思想和特點，其目的在于使本領域內的技術人員能夠了解本發(fā)明的內容并據(jù)以實施，本發(fā)明的保護范圍不限于上述實施例。所以，凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾，均在本發(fā)明的保護范圍之內。