[发明专利]小型水面机器人装置及自适应水流优化导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及水面机器人装置及其导航方法，尤其是一种带有自动控制装置的小型水面机器人装置，以及小型水面机器人自适应水流优化导航方法。

背景技术

水面机器人也称作无人船，即为无人操控的智能的水面平台，可搭载各种监控监测勘探设备进行不同应用。其应用目前正逐步得到推广。对于没有人操控而需要完全自主行驶的水面机器人来说，导航方法至关重要。导航算法是指当输入给无人船目的地后，水面机器人根据自身所在位置，驶向目的地。期间要经过数学运算，给自身的螺旋桨、船舵(若是双螺旋桨船体，则是调整两桨的差速)发出指令，不断校正，最终到达目的地的方法。

目前尚没有专门针对小型水面机器人(长度1米左右)的优化导航方法。小型水面机器人体积小、重量轻，航行时受水流影响大，往往难以走出预定的路线。目前的导航方法都是每时每颗保持船头对准目的地。当水面机器人航行在水面时，会受到水流影响。而在目前的导航算法中，由于水流在水面机器人行驶时不方便用传感器准确测量，水流的影响一般都是靠实时校正船的方向来克服。这样，船从起始点到终点的路径会是一条曲线，曲线的曲率主要取决于水流速度、船速以及校正频率。一般对于小型无人船而言，由于最大速度和船本身质量的限制，这个曲率一般都比较大。从而增加了不必要的能耗，并延长了到达目的地的时间。水面波动较大时，若小型水面机器人速度过快转角过大还会出现翻船的危险。若遇到障碍时，还有可能发生碰撞情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种带有自动控制装置的小型水面机器人装置，以及小型水面机器人自适应水流优化导航方法。

本发明的目的是通过采用以下技术方案来实现的：

小型水面机器人装置，包括船体和设在船体上的驱动装置和控制装置，所述控制装置包括水流速传感器、导航装置和中央控制器；

所述导航装置包括GPS卫星定位传感器、电子罗盘和惯性导航模块；

所述导航装置与中央控制器电路连接；

所述控制装置与驱动装置电路连接，并实现对船体的自动导航。

作为本发明的优选技术方案，所述惯性导航模块包括三轴陀螺仪或三轴加速度传感器。

作为本发明的优选技术方案，所述控制装置还包括雷达和激光测距传感器。

作为本发明的优选技术方案，所述驱动装置包括电池和驱动电机。

小型水面机器人自适应水流优化导航方法，该方法包括以下步骤：

(1)小型水面机器人通过中央控制器接收GPS定位传感器的信号，得到其绝对坐标；

(2)中央控制器接收惯性导航模块的信号，得到小型水面机器人的加速度、角速度，并对所得加速度或角速度积分，获得实时的速度及角度；

(3)中央控制器接收激光测距传感器或雷达的数据，判断与前方障碍物之间距离；

(4)中央控制器接收电子罗盘的数据，获得前进的方向；

(5)中央控制器接收水流速传感器的数据，获得水流的速度。

(6)中央控制器将上述所得数据进行处理后，通过驱动装置和转向装置控制小型水面机器人的航向。

本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明小型水面机器人的体积小、重量轻，采用电力驱动，自身无污染排放，相比大型船，不仅节约了能耗，节省了人力，而且成本较低。

本发明自适应水流导航优化方法，可以自动适应水流的影响，优化行驶的路径，提高效率，节约能源，有效增加运行时间；同时防翻，防撞，避免了水上交通事故的发生；保证了小型水上机器人及其所载仪器仪表的安全。本发明加入了对水流预测元素的方程建立起来的导航算法，经过实践证明，小型水面机器人的行驶轨迹近似直线，大大减少了不必要的能耗，并且节约了时间，同时可以防翻，避障，达到稳定运行的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明小型水面机器人转弯示意图；

图3是本发明Δt时间内小型水面机器人角速度ω与位移d关系图；

图4是本发明t时刻朝向ht示意图。

图中：1.船体，2.中央控制器，3.GPS卫星定位传感器，4.惯性导航模块，5.雷达，6，激光测距传感器，7.水流速传感器，8.驱动电机，9.电池，10.电子罗盘。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：