一种全自由度的船用推进系统和控制方法与流程

本发明涉及船舶自动驾驶技术和船舶控制，特别涉及一种全自由度的船用推进系统和控制方法。

背景技术：

1、目前越来越多的船只装备了自动驾驶系统，复杂的进出港动作和天气、水文条件给自动驾驶系统带来了挑战，本专利所述方法可以大幅简化船只的路线规划和控制，减少转向和加减速，提升船只灵活性和乘坐舒适性。

2、传统船只常用以下三种推进器布置方式：

3、1.使用一个或多个固定的推进器和舵面，推进器正反转控制船只前进或后退，舵面通常安装在船只尾部，控制船舶转向。2.使用一个或多个可旋转的矢量推进器，通常安装在船只尾部，推进器正反转控制船只前进或后退，推进器水平旋转控制船舶转向，所有推进器的方向相同。

4、3.使用多个推进器，固定安装在船只两侧，通过左右侧推进器的推力大小总和控制船只前后移动，通过左右侧推进器的推力大小差控制船只转向。

5、采用1、2两种方式推进的船只具有最小转弯半径，无法原地转向，无法侧向移动；采用第3种驱动方式驱动的船只虽然可以原地转向，但无法侧向移动。这些船只无法控制侧向的推进力，因此侧向移动时需要足够的空间进行复杂的转向，并且在有侧向风和水流的环境中很难保持位置。频繁而复杂的转向一方面给自动控制系统的设计带来很大的难度，另一方面也会降低船只的舒适性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种全自由度的船用推进系统和控制方法。所述技术方案如下：

2、一方面，提供了一种全自由度的船用控制方法，所述方法应用于一种船用推进系统，所述推进系统包括多个全回转推进器，其中，所述方法包括：

3、获取目标移动方向和速度；

4、根据船只的当前状态，获取船首方向；

5、根据所述船首方向、所述目标移动方向和速度，获取期望推力大小、期望推力方向以及期望转矩；

6、根据所述期望推力大小、所述期望推力方向以及所述期望转矩，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力大小和推力方向；

7、根据所述推力大小和所述推力方向，控制全回转推进器运行，以使得船只按照所述目标移动方向移动。

8、可选的，所述根据所述期望推力大小、所述期望推力方向以及所述期望转矩，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力大小和推力方向包括：

9、设置与船只对应的坐标系；

10、获取所述多个全回转推进器的安装位置，并计算所述安装位置在所述坐标系内的坐标；

11、在所述坐标系的基础上，根据所述期望推力大小、所述期望推力方向、所述期望转矩以及所述安装位置的坐标，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力大小和推力方向。

12、可选的，所述根据所述推力大小和所述推力方向，控制全回转推进器运行，以使得船只按照所述目标移动方向移动包括：

13、根据所述推力大小以及所述全回转推进器的可输出最大推力大小，判断所述全回转推进器输出功率是否饱和；

14、若是，则重设置所述推力大小。

15、可选的，所述获取目标移动方向包括：

16、根据驾驶员自定义信息，获取目标移动方向。

17、可选的，所述根据船只的当前状态，获取船首方向包括：

18、获取磁罗经、gnss以及陀螺仪所监测的船只的当前状态；

19、根据所述船只的当前状态，获取所述船首方向。

20、另一方面，提供了一种全自由度的船用控制方法，所述方法应用于一种船用推进系统，所述推进系统包括多个全回转推进器，其中，所述方法包括：

21、获取目标移动方向和速度；

22、根据船只的当前状态，获取船首方向；

23、根据所述船首方向、所述目标移动方向和速度，获取期望推力大小、期望推力方向以及期望转矩；

24、获取所述多个全回转推进器的可输出最大推力；

25、根据所述期望推力、所述期望推力方向以及所述期望转矩，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力和推力方向；

26、根据所述可输出最大推力，修正所述多个全回转推进器对应的推力和推力方向；

27、根据修正后的推力和修正后的推力方向，控制全回转推进器运行，以使得船只按照所述目标移动方向移动。

28、可选的，所述根据所述期望推力、所述期望推力方向以及所述期望转矩，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力和推力方向包括：

29、设置与船只对应的坐标系；

30、获取所述多个全回转推进器的安装位置，并计算所述安装位置在所述坐标系内的坐标；

31、在所述坐标系的基础上，根据所述期望推力、所述期望推力方向、所述期望转矩以及所述安装位置的坐标，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力和推力方向。

32、可选的，所述根据所述推力和所述推力方向，控制全回转推进器运行，以使得船只按照所述目标移动方向移动包括：

33、根据所述推力以及所述全回转推进器的可输出最大推力，判断所述全回转推进器输出功率是否饱和；

34、若是，则重设置所述推力。

35、可选的，所述获取目标移动方向包括：

36、根据驾驶员自定义信息，获取目标移动方向。

37、可选的，所述根据船只的当前状态，获取船首方向包括：

38、获取磁罗经、gnss以及陀螺仪所监测的船只的当前状态；

39、根据所述船只的当前状态，获取所述船首方向。

40、另一方面，提供了一种全自由度的船用推进系统，所述船用推进系统包括多个全回转推进器，所述系统还包括处理装置，所述处理装置具体用于：

41、获取目标移动方向和速度；

42、根据船只的当前状态，获取船首方向；

43、根据所述船首方向、所述目标移动方向和速度，获取期望推力大小、期望推力方向以及期望转矩；

44、根据所述期望推力大小、所述期望推力方向以及所述期望转矩，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力大小和推力方向；

45、根据所述推力大小和所述推力方向，控制全回转推进器运行，以使得船只按照所述目标移动方向移动。

46、可选的，所述处理装置具体用于：

47、设置与船只对应的坐标系；

48、获取所述多个全回转推进器的安装位置，并计算所述安装位置在所述坐标系内的坐标；

49、在所述坐标系的基础上，根据所述期望推力大小、所述期望推力方向、所述期望转矩以及所述安装位置的坐标，分别计算所述多个全回转推进器对应的推力大小和推力方向。

50、可选的，所述处理装置具体用于：

51、根据所述推力大小以及所述全回转推进器的可输出最大推力大小，判断所述全回转推进器输出功率是否饱和；

52、若是，则重设置所述推力大小。

53、可选的，所述系统还包括磁罗经、gnss以及陀螺仪中的至少一个；

54、所述磁罗经、gnss以及陀螺仪用于获取所述船只的当前状态。

55、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

56、通过在船只上安装至少两个全回转推进器，通过求解动力学方程计算每个推进器应该输出的推力大小和方向，从而控制船只受到的反作用力和力矩，进而实现船只可以以任意船首方向、向任意方向移动。解决传统船只转弯半径大、移动不灵活、进出港动作复杂、易受侧向风和水流影响的问题。大幅降低自动驾驶系统设计难度，提高船只的舒适性。解决了船只在自动驾驶系统场景下，复杂的进出港动作，可以大幅简化船只的路线规划和控制，减少转向和加减速，提升舒适性。