[发明专利]一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法

说明书

技术领域

本发明属于海事安全领域，具体涉及一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法。

背景技术

利用船舶上所携带的各种设备，可完成对岛礁、河流、航道、水库、港湾区域测量和监测，海事部门或相关机构可利用获得的测量数据用于地形地貌绘制、流速流量计算、遇险船舶或人员搜救等。然而，现今的上述任务都是由人工完成。远距离遥控船舶在进行作业时，操控人员可能会因为视线或操控距离等因素的影响，产生判断失误，导致风险的发生。

随着智能控制技术的发展，海事部门及相关机构对能自主航行的无人船的关注度也越来越高。现有无人船动力系统一般为电力驱动或者使用小型汽油发动机，航程短、续航时间有限是其普遍存在的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于风能驱动的无人船及其航行控制方法，能够保证长时间续航而无需燃料补给。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于风能驱动的无人船，包括船体，船体的尾部设有舵，船体内设有航行控制系统，其特征在于：所述的船体上设有桅杆，桅杆上设有主帆和前帆；本无人船还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置；其中，

所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置和航行控制系统连接；

所述的环境感知设备包括激光雷达、雷达、红外摄像头、风向风速传感器，其中激光雷达设置在船体艏部的自稳云台上，雷达和红外摄像头设置在桅杆顶部，风向风速传感器设置在桅杆上；

所述的航行控制系统包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。

按上述方案，所述的太阳能电池板设置在主帆、前帆和/或船体的甲板上。

一种上述基于风能驱动的无人船的航行控制方法，其特征在于：它包括：

根据输入的任务重点位置和定位装置获取的船体当前所在位置，规划船体的航行路径；

根据规划的航行路径，结合船体实时的航向和航速、风向，根据伯努利效应，计算得出船体按照航行路径航行时主帆、前帆分别与风向之间的角度，同时实时获取风向与船体的航行路径的角度偏差值，通过PID控制器实时调整主帆、前帆与风向之间的角度以及舵角；

当有碍航物出现时，利用人工势场理论，计算碍航物的斥力场分布范围，并与所规划的航行路径相比较，若碍航物斥力场分布范围波及到航行路径，则利用A^*算法计算一条避开碍航物的最短路径，避开碍航物之后，重新回到原航行路径上继续航行。

本发明的有益效果为：本发明利用帆船这一古老的水上交通工具，利用风能作为驱动力，只需要采集一些太阳能以供航行控制系统的运行即可，实现污染物零排放，并且能够保证长时间续航而无需燃料补给，通过调节风帆的位置和角度，即使在逆风情况下也能顺利航行。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的控制原理图。

图3为碍航物斥力场分布示意图。

图4为A^*算法路径规划示意图。

图5为PID控制流程示意图。

图中：1-船体，2-舵，3-航行控制系统，4-桅杆，5-主帆，6-前帆，7-太阳能电池板，8-雷达和红外摄像头，9-风向风速传感器，10-激光雷达，11-定位装置。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于风能驱动的无人船，如图1所示，包括船体1，船体1的尾部设有舵2，船体1内设有航行控制系统3，船体1上设有桅杆4，桅杆4上设有主帆5和前帆6；本无人船还包括太阳能供电系统、环境感知设备和定位装置11；其中，所述的太阳能供电系统包括太阳能电池板7和储能装置，储能装置的输出端分别与环境感知设备、定位装置11和航行控制系统3连接；所述的环境感知设备包括激光雷达10、雷达和红外摄像头8、风向风速传感器9，其中激光雷达10设置在船体1艏部的自稳云台上，雷达和红外摄像头8设置在桅杆4顶部，风向风速传感器9设置在桅杆4上；航行控制系统3包括用于根据环境感知设备采集的信息、定位装置的实时定位信息、以及预设的任务重点位置规划路径的船载处理器，以及用于根据船载处理器的结果控制主帆、前帆与风向之间的角度和舵角的PID控制器。