[发明专利]一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统，其特征在于，包括：感知层、传输层、应用层三部分；

所述感知层包括无人船体以及装载在船体上的测量装置，所述测量装置一方面用于测量船体的位置信息、障碍物的位置信息，另一方面和服务器进行交互；

所述传输层为GPRS-DTU模块，负责连接感知层和应用层；

所述应用层为服务器，其内置上位机程序，利用人工势场法实现无人船防碰撞物联网控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统，其特征在于，所述测量装置包括控制模块、信息采集模块、动力输出模块、电源模块、通信模块；所述控制模块与信息采集模块、动力输出模块、通信模块相连，控制模块与上位机交互，用于上传数据至上位机、以及接收上位机下发的控制信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统，其特征在于，所述动力输出模块包括水下直流异步电机和无刷电调；所述水下直流异步电机用于控制无人船前进后退以及转向；所述无刷电调通过PWM波调节电压，电机根据电压调速；所述电源模块由锂电池组成，用于为其他模块供电；所述通信模块为GPRS-DTU模块；所述信息采集模块包括GPS定位模块、超声波测距模块、电子罗盘。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统，其特征在于，所述传输层为GPRS-DTU模块，即是无人船通信模块，与服务器建立TCP/IP连接，实现感知层与应用层的数据传输。

5.根据权利要求1所述的一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制系统，其特征在于，所述应用层采用C/S结构建立服务器与客户端的TCP/IP连接；

所述服务器后台程序基于Qt5.9平台编写上位机程序，与Matlab混合编程，用Matlab编写.m文件，该文件实现基于人工势场法的船体避撞控制，并且利用该文件生成Qt可调用的库；无人船测量装置中的超声波测距传感器检测到水面障碍物，发送信号至服务器；服务器接收到信号，通过Qt平台调用人工势场法.m文件库并建立势力场模型，经服务器计算求出合力势场并引导无人船航行航向，实现无人船安全避障；

服务器采用socket和多线程技术用于接收无人船采集的数据和发送上位机的控制指令；

所述服务器解析下位机上传的数据，通过程序解析计算将原始数据分割出来显示在对应的LineEdit中；上位机主界面嵌入百度地图，在地图上设置若干个目标点，使无人船沿着目标点自动驾驶。

6.一种基于人工势场法的无人船防碰撞物联网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在.html文件下的地图中设置若干个目标点并记录目标点的经纬度，再将目标点的经纬度通过QWebchannal传递给Qt上位机程序，并将无人船设置为自动游弋模式；

步骤2，利用无人船装置的超声波传感器扫描周围水面是否有障碍物；

步骤3，如果无人船到目标点之间没有障碍物，则直接计算当前位置与目标点的直线距离和方向角，再将方向角与磁北方向角对比得出船体的转向角，使得无人船向目标点航行；

步骤4，如果无人船到目标点之间有障碍物，融合已知的水面全局信息，构建障碍物斥力势场模型和目标点引力势场模型，对路径进行初步规划；

所述模型为：以无人船为原点建立直角坐标系，目标点和障碍物处于第一象限，无人船受到目标点的引力以及障碍物的斥力，在引力跟斥力的作用下形成合力，合力牵引无人船向前移动；

步骤5，针对无人船面向目标点位置方向的各个障碍物，获得各个障碍物的斥力势场，再进一步获得各个斥力势场的合力斥力势场U_r；

步骤6，获得目标点位置针对无人船的引力势场U_a和斥力势场U_r；

步骤7，计算无人船所受到的合力势场，并根据势场合力方向与无人船运动的步长计算下一时刻无人船的位置；

步骤8，判断无人船是否到达目标点，如果没有再次执行步骤2，如果到达目标点，则采集目标点的水质参数并将目标点的水质参数上传至服务器数据库中；

步骤9，重复步骤2至8，依次完成剩余目标点的水质测量。