[发明专利]一种无人艇高性能航行前馈控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，包括前馈控制器、制导系统、模型辨识系统、风浪流短期预报系统和无人艇传感系统；无人艇传感系统用于获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统、模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；风浪流短期预报系统用于预测海上未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；模型辨识系统用于预测未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；制导系统用于根据无人艇航行目的地和实时海况为无人艇提供实时优化路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇的动力装置，对无人艇航行进行控制；所述模型辨识系统包括Hammerstein-Wiener模型，Hammerstein-Wiener模型利用当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇位姿数据；所述前馈控制器包括串联的广义预测控制器和增量式PID控制器。

2.根据权利要求1所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述风浪流短期预报系统包括自回归预报模型，自回归预报模型利用当前时刻风浪流状态数据预测未来时刻风浪流状态数据。

3.根据权利要求2所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述制导系统包括导航模块、避障模块和路径规划模块；路径规划模块分别与导航模块、避障模块和前馈控制器连接。

4.根据权利要求3所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述避障模块包括激光雷达、海事雷达和侧扫声呐，用于获取障碍物、大型海浪和涡流的信息，并将获取的信息传输至路径规划模块；所述路径规划模块包括全局路径规划和局部路径优化两部分，全局路径规划部分是在海图中给无人艇规划设定路径，局部路径优化部分是依据导航模块提供的信息和避障模块提供的障碍物、大型海浪、涡流的信息，对已规划的设定路径进行路径优化。

5.根据权利要求3所述的无人艇高性能航行前馈控制系统，其特征在于，所述无人艇传感系统包括风速风向仪、多普勒流速仪、水位波浪雷达以及GPS和陀螺仪；风速风向仪、多普勒流速仪和水位波浪雷达用于获取海上当前时刻的风浪流状态数据，GPS和陀螺仪用于获取当前时刻无人艇位姿数据。

6.一种权利要求1～5任一所述无人艇高性能航行前馈控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无人艇航行过程中，通过无人艇传感系统获取海上当前时刻风浪流状态数据和当前时刻无人艇位姿数据，并将当前时刻风浪流状态数据传输至风浪流短期预报系统和模型辨识系统，将当前时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器和模型辨识系统；

（2）风浪流短期预报系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据对未来时刻海上风浪流状态进行预测，得到未来时刻风浪流状态数据，并将未来时刻风浪流状态数据传输至模型辨识系统；

（3）模型辨识系统利用接收的当前时刻风浪流状态数据、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻风浪流状态数据预测未来时刻无人艇的位置和姿态，得到未来时刻无人艇位姿数据，并将未来时刻无人艇位姿数据传输至前馈控制器；

（4）制导系统在充分考虑无人艇系统的动力学约束和机动性能的基础上，结合海图进行全局路径规划，之后依据局部的大型海浪、旋涡、动静态障碍物信息进行局部路径优化，从而获得实时优化的路径点，并将实时优化路径点传输至前馈控制器；

（5）前馈控制器对接收的实时优化路径点、当前时刻无人艇位姿数据和未来时刻无人艇位姿数据进行处理分析，生成控制指令，并将控制指令传输至无人艇的动力装置，实现无人艇的航速和艏向控制，确保无人艇在外界干扰信息作用下高精度航行。