一种全向多体无人船及其控制方法

1.本发明涉及无人船技术领域，尤其涉及的是一种全向多体无人船及其控制方法。


背景技术：

2.水面无人船在水质监测、水面设施维护、水上救灾等场景中有广泛应用前景。全向无人船因具有三个以上的推进系统，在水面具有三个自由度的移动能力，可以同时执行前后、左右和旋转的机动动作。相比于传统的流线型无人船，全向无人船具有更好的机动性和定点能力。一方面，可以在港口、河道之类的拥挤水面中灵活避障；另一方面，在像水质采样、打捞等定点任务中，全向船无人船能够较精准地稳定自身位置和姿态。然而，现有的全向无人船船体普遍采用圆柱形、半圆形或立方体等中心对称形状。在长距离快速移动时，阻力大航速慢。
3.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种全向多体无人船及其控制方法，旨在解决现有技术中全向无人船阻力大航速慢的问题。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种全向多体无人船，其中，包括：
7.中央船体，设置有控制模块；
8.至少3个侧船体，以所述中央船体为中心呈中心对称排布；
9.其中，每个侧船体上设置有转向机构和转向编码器，所述转向机构通过连接杆与所述中央船体连接，所述转向编码器用于检测所述侧船体的实际角度；
10.每个侧船体设置有推进器，所述推进器的推进方向与所述侧船体的长度方向相同；
11.各转向机构和各推进器均与所述控制模块电连接。
12.所述的全向多体无人船，其中，所述控制模块包括：
13.防水箱，设置于所述中央船体；
14.控制板，位于所述防水箱内；
15.树莓派，位于所述防水箱内，并与所述控制板连接；
16.接收器，位于所述防水箱内，并与所述树莓派连接；
17.电源，位于所述防水箱内，并与所述转向机构、所述推进器、所述控制板及所述树莓派电连接。
18.所述的全向多体无人船，其中，所述转向结构包括：
19.转动座，设置于所述侧船体；
20.电机，设置于所述转动座，所述电机的转轴与所述转动座转动连接；
21.固定座，分别与所述连接杆、所述转轴连接。
22.所述的全向多体无人船，其中，所述推进器与所述转动座连接，并位于所述侧船体的下方。
23.所述的全向多体无人船，其中，所述侧船体包括：
24.相互连接两个半浮体；
25.横杆，设置于所述转动座；
26.其中，所述横杆的两端分别穿设在两个半浮体内。
27.所述的全向多体无人船，其中，所述半浮体采用3d打印树脂材料制成。
28.所述的全向多体无人船，其中，所述侧船体的数量为4个；和/或
29.所述中央船体上设置有惯性测量单元、gps定位系统、双目摄像头、激光雷达、水质检测传感器、吊索中的至少一个。
30.一种如上任意一项所述的全向多体无人船的控制方法，其中，包括如下步骤：
31.通过转向编码器获取侧船体的实际角度；
32.获取控制命令信号，并根据控制命令信号确定在对应控制模式下各侧船体的目标角度和各推进器的目标推力；
33.根据所述实际角度和所述目标角度，控制所述转向机构转向；
34.根据所述目标推力，控制所述推进器。
35.所述的全向多体无人船的控制方法，其中，所述控制模式包括：全向布局模式、差速转向模式、转弯转向模式以及平移转向模式；
36.在所述全向布局模式下，所述侧船体的目标角度为垂直于对应的连接杆的角度，且各侧船体的推进器关闭；
37.在所述差速转向模式下，各侧船体的目标角度均朝向航行方向，且在航行方向朝向转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力小于在航行方向背离转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力；
38.在所述转弯转向模式下，位于航行方向朝前的侧船体的目标角度朝向转弯方向，位于航行方向朝后的侧船体的目标角度背离转弯方向；
39.在所述平移转向模式下，各侧船体的目标角度朝向转弯方向，各推进器的目标推力相同。
40.所述的全向多体无人船的控制方法，其中，所述根据所述实际角度和所述目标角度，控制所述转向机构转向，包括：
41.根据所述实际角度和所述目标角度，确定控制信号；
42.根据所述控制信号控制所述转向机构转向；
43.所述控制信号为：
[0044][0045]
其中，u
t
表示控制信号，e
t
表示t时刻目标角度和实际角度之间的误差，ej表示j时刻目标角度和实际角度之间的误差，e
t-1
表示t-1时刻目标角度和实际角度之间的误差，t表示控制周期，k
p
、ki、kd表示控制参数。
[0046]
有益效果：由于本技术通过转向机构和连接杆连接中央船体和侧船体，通过转向
机构，调整各侧船体的朝向，实现全向航行，且侧船体并不需要采用中心对称图形的船体，可以采用流线型船体，受到的水的阻力较小，并不会降低航行速度。因此，本技术的全向多体无人船在实现全向航行的基础上，还实现了阻力较小且航行速度较快。
附图说明
[0047]
图1是本发明中全向多体无人船的结构示意图。
[0048]
图2是本发明中侧船体的结构示意图。
[0049]
图3是本发明中全向多体无人船在全向布局模式下的示意图。
[0050]
图4是本发明中全向多体无人船在差速转向模式下的示意图。
[0051]
图5是本发明中全向多体无人船在转弯转向模式下的示意图。
[0052]
图6是本发明中全向多体无人船在平移转向模式下的示意图。
[0053]
图7是本发明中全向多体无人船的功能原理框图。
[0054]
附图标记说明：
[0055]
1、防水箱；2、转向机构；3、侧船体；4、推进器；5、中央船体；6、固定座；7、电机；8、横杆；9、转动座；10、转轴。
具体实施方式
[0056]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0057]
请同时参阅图1-图7，本发明提供了一种全向多体无人船的一些实施例。
[0058]
如图1所示，本发明的全向多体无人船，包括：
[0059]
中央船体5，设置有控制模块；
[0060]
至少3个侧船体3，以所述中央船体5为中心呈中心对称排布；
[0061]
其中，每个侧船体3上设置有转向机构2和转向编码器，所述转向机构2通过连接杆与所述中央船体5连接，所述转向编码器用于检测所述侧船体3的实际角度；
[0062]
每个侧船体3设置有推进器4，所述推进器4的推进方向与所述侧船体3的长度方向相同；
[0063]
各转向机构2和各推进器4均与所述控制模块电连接。
[0064]
具体地，现有全向无人船为了实现全向航行，船体采用圆柱形、半圆形或立方体等中心对称形状，由于这些中心对称图形的船体在调整航行方向时更加容易，因此，更容易实现全向航行。但是在航行过程中，这些中心对称图形的船体遇到水流的阻力较大，尤其是长距离快速移动时，大大降低了航行速度。
[0065]
本技术的全向无人船并不是采用单体船，而是采用多体船，即采用多个侧船体3，多个侧船体3围绕在中央船体5四周，并呈中心对称排布。侧船体3浮于水面，中央船体5可以浮于水面，也可以架空位于水面的上方。侧船体3可以有至少3个，根据需要配置侧船体3的数量，采用偶数个侧船体3时，更加容易控制和调整侧船体3的方向。如图1和图3所示，所述侧船体3的数量为4个，则推进器4的数量也为4个，分别为推进器一、推进器二、推进器三以及推进器四。
[0066]
由于本技术通过转向机构2和连接杆连接中央船体5和侧船体3，通过转向机构，调整各侧船体3的朝向，实现全向航行，且侧船体3并不需要采用中心对称图形的船体，可以采用流线型船体，受到的水的阻力较小，并不会降低航行速度。因此，本技术的全向多体无人船在实现全向航行的基础上，还实现了阻力较小且航行速度较快。
[0067]
由于采用连接杆连接转向机构2和中央船体5，侧船体3和中央船体5之间有一定的距离，使得全向多体无人船的直径更大，各侧船体3在转动过程中不会相互干涉，稳定性也更高。
[0068]
中央船体5包括：两层碳纤维板和铝合金连接件，通过铝合金连接件连接两层碳纤维板。这里的碳纤维板是指碳纤维复合材料制成的板体。连接杆可以采用碳纤维圆管，连接杆的两端通过铝合金连接件连接在碳纤维板、固定座6上。
[0069]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1和图7所示，所述控制模块包括：
[0070]
防水箱1，设置于所述中央船体5；
[0071]
控制板，位于所述防水箱1内；
[0072]
树莓派，位于所述防水箱1内，并与所述控制板连接；
[0073]
接收器，位于所述防水箱1内，并与所述树莓派连接；
[0074]
电源，位于所述防水箱1内，并与所述转向机构2、所述推进器4、所述控制板及所述树莓派电连接。
[0075]
具体地，在中央船体5上设置防水箱1，防止水进入到防水箱1内，控制板、树莓派、接收器以及电源可以设置在防水箱1内。电源为控制板、树莓派、接收器、转向机构2以及推进器4供电。如图7所示，由于各部件对于电压的要求不同，电源包括电池和降压模块，电池与控制板、转向机构2以及推进器4电连接，电池通过降压模块与树莓派电连接。控制板可以采用arduino mega控制板，电池可以采用12v的锂电池，降压模块可以采用12v-5v的降压模块。防水箱1安装在中央船体5的中央，防水箱1有利于电子系统的固定和防护，并可在需要时打开更换部件。
[0076]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1、图2以及图7所示，所述转向结构包括：
[0077]
转动座9，设置于所述侧船体3；
[0078]
电机7，设置于所述转动座9，所述电机7的转轴10与所述转动座9转动连接；
[0079]
固定座6，分别与所述连接杆、所述转轴10连接。
[0080]
具体地，转动座9固定设置于侧船体3，电机7固定设置于转动座9。当驱动电机7启动时，电机7的转轴10转动，由于侧船体3更容易转动，因此，侧船体3、推进器4、转动座9以及电机7一起转动，从而调整侧船体3的角度，改变侧船体3的朝向。电机7可以采用伺服电机。转向机构2还可以采用直流电机和齿轮箱的方案，也可采用蜗轮蜗杆箱等传动系统。
[0081]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述推进器4与所述转动座9连接，并位于所述侧船体3的下方。
[0082]
具体地，推进器4可以采用水下推进器，为了提高推进器4的稳定性，将推进器4与转动座9连接起来，在转动座9和电机7转动时，推进器4也会随之转动，确保推进器4的推动方向更便于控制。还可以在侧船体3的下方设置舵机。
[0083]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述侧船体3包括：
[0084]
相互连接两个半浮体；
[0085]
横杆8，设置于所述转动座9；
[0086]
其中，所述横杆8的两端分别穿设在两个半浮体内。
[0087]
具体地，侧船体3采用两个半浮体拼接形成，侧船体3埋有横杆8，横杆8可以设置一根或多根，例如，采用两根横杆8。通过横杆8将转动座9和侧船体3连接起来，并起到支撑侧船体3结构的作用。横杆8可以采用碳纤维横杆。
[0088]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述半浮体采用3d打印树脂材料制成。
[0089]
具体地，半浮体可以采用3d打印设备制备，具体采用树脂材料打印出半浮体。
[0090]
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述中央船体5上设置有惯性测量单元、gps定位系统、双目摄像头、激光雷达、水质检测传感器、吊索中的至少一个。
[0091]
具体地，根据全向多体无人船执行任务的不同，选择不同的辅助部件和传感器，从而适用不同的应用场景。可携带摄像头或传感器执行城市河道的水质检测、巡逻监控等任务，可在中央船体5下方安装吊索、吊网等进行打捞、起吊任务，在中央船体5上方安装起降平台，可辅助无人机水上起降，多艘无人船可同时拖曳大船，进行动力定位。
[0092]
本技术结合了多体船和全向船的结构特点，提出了一种全向多体无人船。该船具有四个流线型船体，通过在船身结构中加入旋转机构，由旋转机构连接主船体与四个侧船体。在水面航行时，本发明能够通过电机旋转侧船体及推进器的方向，在推进器传统布局和全向布局之间切换，具有较好的转向灵活性和直线航行性能。该无人船既结合了多体船稳定的优点，又能改变无人船船体布局提高避障能力和通过能力，从而在拥挤的狭窄水域上航行；既能利用传统流线型船体提高航行速度，又能切换到全向布局提高机动性。
[0093]
基于上述任意一实施例所述的全向多体无人船，本发明还提供了一种全向多体无人船的控制方法的较佳实施例：
[0094]
如图7所示，本发明实施例的全向多体无人船的控制方法，包括以下步骤：
[0095]
步骤s100、通过转向编码器获取侧船体的实际角度。
[0096]
步骤s200、获取控制命令信号，并根据控制命令信号确定在对应控制模式下各侧船体的目标角度和各推进器的目标推力。
[0097]
步骤s300、根据所述实际角度和所述目标角度，控制所述转向机构转向。
[0098]
步骤s400、根据所述目标推力，控制所述推进器。
[0099]
具体地，转向编码器设置于侧船体，具体可以设置于电机，通过检测转轴转动的角度，得到侧船体的实际角度。侧船体的实际角度可以以经度或维度作为参照，侧船体的实际角度为侧船体的朝向(即侧船体的长度方向)与经度(或者维度)之间的夹角。以四个侧船体和四个推进器为例进行说明，控制模块可以获取控制命令信号，控制命令信号可以是岸上遥控器手动控制发出或者由主机发送的信号自动控制。手动遥控时，遥控器将手动遥控的控制命令信号发送给无人船上的接收器，接收器解码后将命令数据发送给树莓派，树莓派执行控制命令。自动控制时，树莓派与主机通过无线路由器双向通信，传感器系统采集到的数据由树莓派处理过后发送给主机，主机利用目标点位置，障碍物信息，无人船自身速度位置姿态等信息进行运动控制，将控制命令信号发送给无人船上的树莓派，控制命令信号被解算为四个推进器的控制命令和四个转向机构的电机的角度命令，具体为四个推进器的目标推力和四个侧船体的目标角度。
[0100]
由于实际角度和目标角度可能存在差异，需要根据实际角度和目标角度对侧船体的朝向进行调整，具体控制转向机构转向，使得实际角度与目标角度一致。得到目标推力后，控制推进器达到目标推力。
[0101]
所述控制模式包括：全向布局模式、差速转向模式、转弯转向模式以及平移转向模式。
[0102]
在所述全向布局模式下，所述侧船体的目标角度为垂直于对应的连接杆的角度，且各侧船体的推进器关闭。在全向布局模式下，推进器关闭，无人船停止移动。各侧船体呈圆形排列，可以提高无人船的稳定性，且有利于避免中央船体碰撞而受损。如图3所示，四根连接杆形成“十字”形，四个推进器的的长度方向均垂直于连接杆，所有推进器呈圆形分布。
[0103]
在所述差速转向模式下，各侧船体的目标角度均朝向航行方向，且在航行方向朝向转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力小于在航行方向背离转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力。差速转向是指利用两侧推进器的推进速度不同实现无人船转向，多个侧船体分按照航行方向，分为两类，分别为位于航行方向左侧的侧船体和位于航行方向右侧的侧船体，需要说明的是，当侧船体的数量为奇数时，可能有一个侧船体位于航行方向上，则该侧船体可以朝向转弯方向，也可以与航行方向一致；当侧船体的数量为偶数时，侧船体均位于航行方向的两侧。举例说明，如图4所示，航行方向为纸面内自下而上的方向，各侧船体的朝向(或实际角度)均与航行方向相同，当转弯方向为向右转弯时，则推进器一和推进器三的目标推力较大，推进器二和推进器四的目标推力较小，因此，推进器一和推进器三的推动速度较大，推进器二和推进器四的推动速度较小，无人船会向右转弯。当转弯方向为向左转弯时，则推进器一和推进器三的目标推力较小，推进器二和推进器四的目标推力较大，因此，推进器一和推进器三的推动速度较小，推进器二和推进器四的推动速度较大，无人船会向左转弯。
[0104]
在所述转弯转向模式下，位于航行方向朝前的侧船体的目标角度朝向转弯方向，位于航行方向朝后的侧船体的目标角度背离转弯方向。多个侧船体分按照航行方向和中央船体，分为两类，分别为位于中央船体前方的侧船体和位于中央船体后方的侧船体，需要说明的是，还有可能有一个或两个侧船体与中央船体并排航行，则该侧船体的朝向可以与航行方向一致。位于中央船体前方的侧船体朝向转弯方向，位于中央船体后方的侧船体背离转弯方向。举例说明，如图5所示，航行方向为纸面内自下而上的方向，推进器一和推进器二位于中央船体的前方，推进器三和推进器四位于中央船体的后方，当转弯方向为向右转弯时，推进器一和推进器二对应的侧船体朝向转弯方向，即向右；推进器三和推进器四对应的侧船体背离转弯方向，即向左。当转弯方向为向左转弯时，推进器一和推进器二对应的侧船体朝向转弯方向，即向左；推进器三和推进器四对应的侧船体背离转弯方向，即向右。当然，还可以在转弯转向模式的基础上，配合差速转向模式。如图5所示，当转弯方向为向右转弯时，推进器一和推进器二对应的侧船体朝向转弯方向，推进器三和推进器四对应的侧船体背离转弯方向，且推进器一和推进器三的目标推力较大，推进器二和推进器四的目标推力较小。当转弯方向为向左转弯时，推进器一和推进器二对应的侧船体朝向转弯方向，推进器三和推进器四对应的侧船体背离转弯方向，且推进器一和推进器三的目标推力较小，推进器二和推进器四的目标推力较大。
[0105]
在平移转向模式下，各侧船体的目标角度朝向转弯方向，各推进器的目标推力相
同。将所有侧船体朝向转弯方向，且各推进器的目标推力相同，则无人船会向转弯方向移动。如图6所示，航行方向为纸面内自下而上的方向，当转弯方向为向左时，所有侧船体朝向左，且所有推进器的目标推力相同，无人船向左移动。当转弯方向为向右时，所有侧船体朝向右，且所有推进器的目标推力相同，无人船向右移动。当然，还可以在平移转向模式的基础上，配合差速转向模式。如图6所示，当转弯方向为向左时，所有侧船体朝向左，且推进器一和推进器三的目标推力较小，推进器二和推进器四的目标推力较大。当转弯方向为向右时，所有侧船体朝向右，且推进器一和推进器三的目标推力较大，推进器二和推进器四的目标推力较小。
[0106]
步骤s300具体包括：
[0107]
步骤s310、根据所述实际角度和所述目标角度，确定控制信号。
[0108]
步骤s320、根据所述控制信号控制所述转向机构转向。
[0109]
具体地，所述控制信号为：
[0110][0111]
其中，u
t
表示控制信号，e
t
表示t时刻目标角度和实际角度之间的误差，ej表示j时刻目标角度和实际角度之间的误差，e
t-1
表示t-1时刻目标角度和实际角度之间的误差，t表示控制周期，k
p
、ki、kd表示控制参数。
[0112]
为了实现上述推进器布局切换和无人船转向，保证每次动作的准确、快速执行，需要对转向装置做角度控制。本发明中采用pid控制器，控制转向机构的电机旋转至需要的角度。控制参数可以调参以获得最佳的控制效果。
[0113]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种全向多体无人船，其特征在于，包括：中央船体，设置有控制模块；至少3个侧船体，以所述中央船体为中心呈中心对称排布；其中，每个侧船体上设置有转向机构和转向编码器，所述转向机构通过连接杆与所述中央船体连接，所述转向编码器用于检测所述侧船体的实际角度；每个侧船体设置有推进器，所述推进器的推进方向与所述侧船体的长度方向相同；各转向机构和各推进器均与所述控制模块电连接。2.根据权利要求1所述的全向多体无人船，其特征在于，所述控制模块包括：防水箱，设置于所述中央船体；控制板，位于所述防水箱内；树莓派，位于所述防水箱内，并与所述控制板连接；接收器，位于所述防水箱内，并与所述树莓派连接；电源，位于所述防水箱内，并与所述转向机构、所述推进器、所述控制板及所述树莓派电连接。3.根据权利要求1所述的全向多体无人船，其特征在于，所述转向结构包括：转动座，设置于所述侧船体；电机，设置于所述转动座，所述电机的转轴与所述转动座转动连接；固定座，分别与所述连接杆、所述转轴连接。4.根据权利要求3所述的全向多体无人船，其特征在于，所述推进器与所述转动座连接，并位于所述侧船体的下方。5.根据权利要求3所述的全向多体无人船，其特征在于，所述侧船体包括：相互连接两个半浮体；横杆，设置于所述转动座；其中，所述横杆的两端分别穿设在两个半浮体内。6.根据权利要求5所述的全向多体无人船，其特征在于，所述半浮体采用3d打印树脂材料制成。7.根据权利要求1-6任意一项所述的全向多体无人船，其特征在于，所述侧船体的数量为4个；和/或所述中央船体上设置有惯性测量单元、gps定位系统、双目摄像头、激光雷达、水质检测传感器、吊索中的至少一个。8.一种如权利要求1-7任意一项所述的全向多体无人船的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：通过转向编码器获取侧船体的实际角度；获取控制命令信号，并根据控制命令信号确定在对应控制模式下各侧船体的目标角度和各推进器的目标推力；根据所述实际角度和所述目标角度，控制所述转向机构转向；根据所述目标推力，控制所述推进器。9.根据权利要求8所述的全向多体无人船的控制方法，其特征在于，所述控制模式包括：全向布局模式、差速转向模式、转弯转向模式以及平移转向模式；
在所述全向布局模式下，所述侧船体的目标角度为垂直于对应的连接杆的角度，且各侧船体的推进器关闭；在所述差速转向模式下，各侧船体的目标角度均朝向航行方向，且在航行方向朝向转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力小于在航行方向背离转弯方向所在的一侧的推进器的目标推力；在所述转弯转向模式下，位于航行方向朝前的侧船体的目标角度朝向转弯方向，位于航行方向朝后的侧船体的目标角度背离转弯方向；在所述平移转向模式下，各侧船体的目标角度朝向转弯方向，各推进器的目标推力相同。10.根据权利要求8所述的全向多体无人船的控制方法，其特征在于，所述根据所述实际角度和所述目标角度，控制所述转向机构转向，包括：根据所述实际角度和所述目标角度，确定控制信号；根据所述控制信号控制所述转向机构转向；所述控制信号为：其中，u
t
表示控制信号，e
t
表示t时刻目标角度和实际角度之间的误差，e
j
表示j时刻目标角度和实际角度之间的误差，e
t-1
表示t-1时刻目标角度和实际角度之间的误差，t表示控制周期，k
p
、k
i
、k
d
表示控制参数。

技术总结
本发明公开了一种全向多体无人船及其控制方法，全向多体无人船包括：中央船体，设置有控制模块；至少3个侧船体，以中央船体为中心呈中心对称排布；侧船体上设置有转向机构和转向编码器，转向编码器用于检测侧船体的实际角度；侧船体设置有推进器，推进器的推进方向与侧船体的长度方向相同；各转向机构和各推进器均与控制模块电连接。通过转向机构和连接杆连接中央船体和侧船体，通过转向机构，调整各侧船体的朝向，实现全向航行，且侧船体并不需要采用中心对称图形的船体，而采用流线型船体，受到的水的阻力较小，并不会降低航行速度。因此，本申请的全向多体无人船在实现全向航行的基础上，还实现了阻力较小且航行速度较快。还实现了阻力较小且航行速度较快。还实现了阻力较小且航行速度较快。


技术研发人员：张连鑫 黄一涵 钱辉环
受保护的技术使用者：香港中文大学（深圳）
技术研发日：2023.02.24
技术公布日：2023/6/12