[发明专利]一种明轮无人增氧船的控制系统与航向控制算法

说明书

本发明公开了一种明轮无人增氧船的控制系统与航向控制算法，该航向控制算法适用于四明轮驱动的无人增氧船。结合船体明轮的布置特点，设计了明轮船的硬件控制系统，包括单片机、上位机和GPS定位模块等。通过分别控制四个明轮的不同转速大小与方向，能够实现明轮船的原地旋转和悬停功能，在实际水域作业时，船体灵活、限制少，受环境影响较小。设计明轮船的航向控制算法，该算法通过GPS模块读取明轮船的实时位置，并与目标位置进行比较，比较结果作为输入，输出是四个明轮的转速调整量，通过明轮转速调整船体的航向与航速。本发明提供的明轮船能够实现对各个目标点的跟踪、自动导航、远程遥控、原地旋转和定点悬停功能。

技术领域

本发明涉及船体运动控制技术领域，尤其涉及一种明轮无人增氧船的控制系统与航向控制算法。

背景技术

传统增氧方式可分为物理增氧和化学增氧两大类。化学增氧就是向水域中导入某种化学物质，这种物质会与水发生化学反应，在此过程中产生氧气，从而加快了氧气向水中溶解的速度，起到增氧的效果。物理增氧是利用氧气溶解于水的物理特性，通过各种方式、手段，提高氧溶解于水的速度，这种方式控制和操作更方便、简单，能够根据水中的溶氧量实时精确地控制设备进行增氧，因此该方法被广泛应用于水产养殖业。

目前水产养殖常用的增氧机主要有叶轮式、水车式、耕水机、喷气式、射流式、微孔曝气式、涌浪机等几大类。传统增氧船在使用过程中存在移动能力差、增氧覆盖面积小的问题。

为了提高增氧设备的自动化水平，高效完成池塘养殖需要的增氧任务，有必要提供一种明轮无人增氧船的控制系统与航向控制算法，使得明轮无人增氧船能够在水域中自动导航，具有移动能力好、增氧覆盖面积大的优点。

发明内容

本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种明轮无人增氧船的控制系统与航向控制算法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种明轮无人增氧船的控制系统，该控制系统位于船体内，所述船体设有四个能够独立动作的明轮，所述控制系统包括树莓派、GPS模块、单片机、明轮电机、编码器和串口通信模块，所述明轮电机共有四个，每个明轮电机对应驱动一个明轮，所述树莓派通过串口通信模块实时读取GPS模块的位置数据，所述树莓派通过串口通信模块与单片机进行数据交互，并根据航向控制量给单片机下发每个明轮电机的目标转速，所述单片机同时通过安装在每个电机轴处的编码器读取每个明轮电机的实际转速，通过PID控制调节，将计算得到的PWM占空比传输给电机驱动器，从而实现明轮电机实际转速对目标转速的跟踪控制。

进一步地，上述明轮无人增氧船的控制系统中，所述船体内置有锂电池，所述船体的上侧外壁设有太阳能板，所述太阳能板通过转换器、线缆与锂电池进行连接，并共同构成供电系统。

进一步地，上述明轮无人增氧船的控制系统中，所述树莓派通过路由器与后台的远程计算机进行无线通信，所述路由器、后台的远程计算机构成远程监控系统。

进一步地，上述明轮无人增氧船的控制系统中，所述明轮的叶板上开设有空洞，且叶板的边缘处设有折角。

进一步地，上述明轮无人增氧船的控制系统中，四个所述明轮分别为位于左侧后端的明轮a、位于左侧前端的明轮b、右侧前端的明轮c以及右侧后端的明轮d；

所述明轮电机的目标转速由航向控制量与明轮电机的基本转速相结合得到，公式如下：

motor_AB＝motor_reference_speed+angle.Output_speed

motor_CD＝motor_reference_speed-angle.Output_speed