一种帆船自主控制方法、装置及帆船

技术领域

本发明涉及无人帆船领域，尤其涉及一种帆船自主控制方法、装置及帆船。 

背景技术

现有技术中，无人帆船是机器人技术和帆船技术交叉发展的最新产物。无人帆船是以风力作为推进动力，可以长时间的在海上进行警卫巡逻、科学考察、环境检测等任务，可以避免人类长时间在海上作业时，可能会遇到的安全、补给等问题。 

众所周知，帆船在海上航行需要面对各种复杂情况。但是在现有技术中，对于包括帆船在内的无人自主航行技术主要集中在对风帆进行自主控制。 

以风帆作为辅助航行工具的控制方法只适用于大型运输船的航向控制，由于大型运输船与小型帆船的结构有较大的不同，工作原理以及操控原理也有较大的不同；因此，大型帆船所采用的控制方案并不能很好的适用于小型帆船；另一方面，仅以风帆作为辅助航行工具，并不能实现对船体的自主控制。 

而且，通过对现有技术成果以及相关技术文献的分析可知，现有无人帆船的研发成果主要侧重于帆船自动控制系统硬件的实现，也没有一种应用于风帆自主驾驶中的整体性的控制方法，在帆船的航行过程中，不能很好地实现对航行路径的生成、风帆状态的控制、舵角的控制等操控动作。 

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种帆船自主控制方法、装置及帆船，旨在系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能，提高自主操控性。 

为达以上目的，本发明提出一种帆船自主控制方法，包括以下步骤： 

在航行路径中设置至少一个航路点； 

目标航路点确定步骤：获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点； 

期望航向确定步骤：根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量； 

控制步骤：根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向； 

判断步骤：判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤；若已到达，则进一步判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤；如果是，则结束流程。 

优选地，期望航向确定步骤包括： 

获取真实风的信息； 

根据真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区，航向区至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区； 

根据目标航路点和帆船的相对位置，计算目标航路点相对于帆船的相对方位角； 

根据相对方位角确定目标航路点所处的航向区；根据目标航路点所处的航向区获取期望的航向向量。 

优选地，获取真实风的信息包括： 

获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息； 

对航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢量计算，根据矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息。 

优选地，根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向包括： 

通过舵的偏转控制帆船的实际航向； 

通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。 

优选地，根据相对风向信息控制帆船的风帆状态包括： 

根据相对风的风向信息，控制风帆调整角。 

优选地，控制步骤还包括： 

获取帆船的姿态角度，其中，姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角； 

当俯仰角超过第一预设危险值时或者当横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。 

本发明还提出了一种帆船自主控制装置，该装置包括： 

航路点设置模块，用于在航行路径中设置至少一个航路点； 

目标航路点确定模块，用于获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点； 

期望航向确定模块，用于根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量； 

控制模块，用于根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向； 

判断模块，包括第一判断单元以及第二判断单元，其中， 

第一判断单元用于判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤，若已到达，则通知第二判断单元； 

第二判断单元用于判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤，如果是，则结束。 

优选地，期望航向确定模块包括：真实风信息获取单元、航向区划分单元、相对方位角确定单元以及航向区确定单元，其中， 

真实风信息获取单元用于获取真实风的信息； 

航向区划分单元用于根据真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区，航向区至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区； 

相对方位角确定单元用于根据目标航路点和帆船的相对位置，计算目标航路点相对于帆船的相对方位角； 

航向区确定单元用于根据相对方位角确定目标航路点所处的航向区。 

优选地，真实风信息获取单元还用于， 

获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息； 

对航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢 量计算，根据矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息； 

控制模块包括第一实际航行控制单元以及第二实际航行控制单元，其中， 

第一实际航行控制单元用于通过舵的偏转控制帆船的实际航向； 

第二实际航行控制单元用于通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。 

控制模块还包括风帆调整角控制单元，用于根据相对风的风向信息，控制风帆调整角。 

控制模块还包括姿态角度获取单元以及求救信号处理单元，其中， 

姿态角度获取单元用于获取帆船的姿态角度，其中，姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角； 

求救信号处理单元用于当俯仰角超过第一预设危险值时或者当横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。 

本发明还提出了一种帆船，包括船体、风帆、舵、驱动装置和推进装置，该帆船还包括上述帆船自主控制装置。 

实施本发明的帆船自主控制方法，在帆船的自主航行过程中，通过对航向区的划分、期望航向向量的计算，提供一套整体性的帆船自主航行的控制方法，系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能，提高自主操控性。 

同时，实施本发明的帆船自主控制装置，通过舵角的控制、风帆张开面积与调整角的控制、推进器的辅助推动，以及帆船的惯性测量单元提供船体在全局惯性坐标系中的姿态信息，包括航向角、俯仰角和横滚角，通过全球定位系统获得帆船的经、纬度位置数据、航速和航向信息，由风传感器提供相对于船体的相对风的风速和风向，由控制器接收风传感器的信号，根据帆船的自主控制算法，计算出舵和风帆的控制量，并执行相应控制动作，系统地实现了帆船的自主无人航行。 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中： 

图1是本发明提供的帆船自主控制方法的流程图； 

图2是本发明较佳实施例提供的帆船自主控制方法的流程图； 

图3是本发明帆船自主控制方法的推进控制的细化流程图； 

图4本发明帆船自主控制方法的期望航向向量计算的细化流程图； 

图5是本发明较佳实施例提供的帆船自主控制装置的结构框图； 

图6是本发明提供的一种帆船的硬件结构图； 

图7是本发明帆船自主控制方法的目标点所处航行区时的相对方位示意图； 

图8是本发明帆船自主控制方法的船基平面坐标系示意图； 

图9是本发明帆船自主控制方法的风的矢量关系示意图； 

图10是本发明帆船自主控制方法的风传感器的标定示意图。 

具体实施方式

实施例一 

如图1所示是本发明较佳实施例提供的帆船自主控制方法的流程图。该方法包括以下步骤： 

S1、在航行路径中设置至少一个航路点。其中，最后一个航路点即为帆船的航行终点。 

具体地，由系统或者无人帆船的使用人员，在航路范围内确定若干个航路点并依次编号，依次设置航路点M1、航路点M2…航路点Mn，其中，航路点M1是第一个航路点，航路点Mn是最后一个航路点，即为航行终点。航路点的位置通过经度值和纬度值进行描述。 

S2、目标航路点确定步骤：获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点。 

具体地，从第一个航路点开始设为当前目标点；帆船一旦到达当前目标点，则设置下一航路点为当前目标点，直至最后一个航路点。在帆船启航时，将航路点M1设置为目标航路点；然后，当帆船航行到航路点M1时，将目标航路点更换为航路点M2；依此将后续的航路点依次设置为目标航路点，直至将航 路点Mn设置为目标航路点。 

S3、期望航向确定步骤：根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量。 

首先，以帆船为中心划分航向区，计算目标航路点与帆船的相对方位，并根据相对方位确定目标航路点所处的航向区。在该步骤中： 

a、航向区的划分：根据风向信息，将以帆船为中心的360度方向划分为至少包括顺风区、迎风不可航行区、侧风区的航向区。在本实施例中，将以帆船为中心划分为四个航向区，具体为迎风不可航行区I、右侧风区II，左侧风区III，顺风区IV。其中，迎风不可航行区I是正逆风左右各45度的角度区域，该区域内帆船无法航行。顺风区IV为正顺风左右各30度的角度区域；考虑到在顺风区IV内航行效率较低和稳定性较差，顺风区IV在本发明中被视作不宜航行的角度区域。在迎风不可航行区I与顺风区IV之间的两块角度区域分别是右侧风区II和左侧风区III；帆船迎风时，右侧船舷所对为右侧风区II，左侧船舷所对为左侧风区III；右侧风区II和左侧风区III为可航行的角度区域；帆船将在右侧风区II和左侧风区III两个角度区域内航行，接近并到达当前目标点。 

b、计算当前目标点与帆船的相对方位，并根据相对方位确定当前目标点所处的航向区。由当前目标点和帆船的相对位置关系，计算当前目标点相对于帆船的相对方位角，由相对方位角确定当前目标点所处的航向区。因为帆船周向360度已经划分为四个航向区，当前目标点的相对方位角必然被某一航向区的角度范围包含，则认为当前目标点属于该航向区。 

c、根据当前目标点所处的航向区获取期望的航向向量，分析比较帆船当前的航向与期望的航向向量，获取对舵的控制量。 

其中，获取期望的航向向量具体是： 

当前目标点属于右侧风区II或者左侧风区III时，由帆船的当前位置指向当前目标点的单位向量即为期望航向向量。也就是说，当前目标点属于右侧风区II或者左侧风区III时，帆船可以直接向着当前目标点的方向航行。 

当前目标点处于迎风不可航行区I时，为了避开这个角度区域，需要帆船 实现抢风行驶，以“Z”字形航行路径到达当前目标点。在迎风不可航行区I与右侧风区II的交界角度处设定右侧贴风向量VII_I，在迎风不可航行区I与左侧风区III的交界角度处设定左侧贴风向量VIII_I，其中右侧贴风向量VII_I和左侧贴风向量VIII_I都为单位向量。为了实现帆船的抢风航行，需要轮流地将右侧贴风向量VII_I和左侧贴风向量VIII_I设定为期望航向向量。当前目标点处于顺风区IV时，为了提高航行效率和稳定性，需要帆船避开顺风区航行，以“Z”字形航行路径到达当前目标点。在顺风区ΙV与右侧风区II的交界角度处设定右侧顺风向量VII_IV，在顺风区ΙV与左侧风区III的交界角度处设定左侧顺风向量VIII_IV，其中右侧顺风向量VII_IV和左侧顺风向量VIII_IV都为单位向量。轮流地将右侧顺风向量VII_IV和左侧顺风向量VIII_IV设定为期望航向向量，以实现当前目标点处于顺风区IV时的“Z”字形航行。 

分析比较帆船当前的航向与期望的航向向量，并按如下方式获取对舵的控制量： 

舵的偏转可以控制帆船的实际航向，通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。如果期望航向在实际航向的右侧，则舵角向右偏转；如果期望航向在实际航向的左侧，则舵角向左偏转。 

最后，根据目标航路点所处的航向区获取期望的航向向量。 

S4、控制步骤：根据相对风向信息控制帆船的风帆状态；根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向。 

S5、判断步骤：判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤；若已到达，则进一步判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤；如果是，则结束流程。 

在上述判断步骤中，判断每次到达的目标航路点是否为最后一个航路点，若是，则判定到达上述航行终点。如上例所述，在帆船航行过程中，可以将其中任意一航路点设置为航行终点，或者，当帆船需要长距离航行时，为了满足帆船维护、任务处理等需求，在上述航路点中选取多个航行暂留点，因此，根据上述需求，本实施例可自适应地将一个或多个Mn(n为任意值)航路点设置为航行暂留点或者航行终点。 

本实施例的有益效果在于，在帆船的自主航行过程中，通过对航向区的划分、期望航向向量的计算，提供一套整体性的帆船自主航行的控制方法，系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能。从整体上看，一方面，提高了帆船自主控制的可操控性和准确性，另一方面，航线规划自适应性较高。 

实施例二 

在上述实施例的基础上，如图2示出的步骤S201，通过帆船内置的全球定位模块获取帆船的经度信息和纬度信息，同时，根据上述经度信息和上述纬度信息计算帆船与上述目标航路点之间的距离，当上述距离小于预设阈值时，则确认帆船到达上述目标航路点。 

例如，将上述阈值设置为两百米，通过全球定位模块实时获取(可以理解为是按预设周期获取)帆船的经度信息和纬度信息，计算帆船当前位置，同时，在后台预存数据中调取当前目标航路点所在的位置，将两者在同一参考系内进行比对分析，判定两者之间的实际距离是否小于两百米，若小于两百米，则认为已到达上述目标航路点。 

更进一步地，当到达的目标航路点是航行终点时，若上述阈值设置的距离较大，同时，判定得到上述两者之间的实际间距较远时，则需要作进一步的精确定位，使之航行到准确的航行终点。 

本实施例的有益效果在于，通过全球定位装置进行定位，并将定位结果与后台预存数据进行比较分析，根据比较分析结果判断帆船是否已到达上述目标航路点。操控指令简洁、明确，数据分析结果的准确性高。 

进一步地，由现有的航行常识可知，在帆船航行过程中，当帆船的横向漂移量大于一定值时，采用全球定位模块获取帆船的航行信息较为准确。但是，当帆船的横向漂移量小于一定值时，由于横向漂移量较小，此时，通过全球定位模块获取的航行信息并不够准确。 

因此，若在帆船的横向漂移量较小情况下，如果仍采用全球定位模块获取帆船的航行信息，则可能会造成帆船的航行信息获取不够准确的缺陷。 

本实施例针对上述问题提出的解决方式是，预设一帆船横向漂移量值。当帆船的横向漂移量大于该预设的横向偏移量值时，采用上述全球定位模块获取帆船的航行信息，当帆船横向漂移量小于该预设的横向偏移量值时，通过帆船内置的惯性测量模块获取上述航行信息。 

可以理解，本实施例的有益效果在于，通过全球定位模块与惯性测量模块相结合的方式获取航行信息，避免了在长时间使用惯性测量模块时，所带来的积累误差较大的缺陷。 

进一步地，如图2示出的步骤S202，通过上述惯性测量模块按预设周期获取帆船船体的俯仰角数值和横滚角数值。 

惯性测量模块可以理解是包含有相关测量功能的传感器，通过相关的传感器按预设周期(例如，每一秒感测一次)感测帆船船体的俯仰角数值和横滚角数值。 

由现有的航行常识可知，当帆船船体的俯仰角数值大于一定值时，帆船有倾翻的危险，另一方面，当帆船船体的横滚角数值大于一定值时，帆船也会有倾翻的危险。 

因此，本实施例解决上述技术问题所采用的技术方案是，在帆船的航行过程中，针对帆船船体的俯仰角设置第一预设危险值，并针对帆船船体的横滚角设置第二预设危险值。 

在帆船航行过程中，周期性的感测帆船船体的俯仰角数值以及横滚角数值。当帆船船体的俯仰角数值超过上述第一预设危险值时，则认定帆船处于倾翻状态；当帆船船体的横滚角数值超过上述第二预设危险值，则认定帆船处于倾翻状态。 

进一步地，若经判断得出帆船处于倾翻状态，则发出求救信号，并结束航行。 

本实施例的有益效果在于，在帆船自主航行的过程中，实时获取帆船船体的参数，并根据参数判断船体是否倾翻，以便于在船体发生倾翻或者临界倾翻状态时，能及时发出求救信号或者预警信号。 

进一步地，如图2示出的步骤S206，在帆船自主航行的过程中，根据上 述横滚角数值计算风帆的张开面积。 

具体实施方式如下所述： 

首先，将风帆的一端套装在桅杆上，另一端则由风帆绳索拉动； 

情形一：风帆可以完全卷绕在桅杆上，此时风帆不受风的作用； 

情形二：风帆可以完全张开，此时受风作用的风帆面积最大； 

情形三：也可以让风帆部分卷绕在桅杆上而部分张开，此时风帆部分面积受到风的作用。 

然后，根据计算结果调整风帆的受风面积。可以理解，在相同的风速、风向、调整角等情况下，风帆受风面积的大小决定了帆船获得风的推进力的大小和帆船受到风的横滚力矩的大小，即，风帆受风面积越大，帆船获得风的推进力越大，同时，帆船受到风的横滚力矩也越大。其中，横滚力矩决定帆船的横滚角度，即，横滚力矩越大，帆船的横滚角度越大。 

在帆船横滚角处于安全范围内(该安全范围可以是上述实施例中，由第二预设危险值所限定的安全范围，即，帆船的横滚角数值小于第二预设危险值的可取值范围)，风帆的张开面积较大时，可以获得较大推进力，但不至于使得帆船发生倾翻的危险。 

在上述情形下，按如下方式调整帆船自主航行过程中的风帆尺寸： 

例如，风帆的尺寸用S_sail表示，风帆尺寸控制的数学表达式可以表述为： 

S_sail＝f(|∠Roll|)∈[0,1]·S_full 

其中∠Roll为帆船横滚角，并∠Roll∈[﹣R_max,R_max]，R_max为帆船正常航行时允许的最大安全横滚角，可以理解，此处所述的最大安全横滚角是指临界于上述实施例中的第二预设危险值，或者，将第二预设危险值确定为帆船正常航行时允许的最大安全横滚角值。 

上述表达式中，S_full为风帆全部打开时的最大风帆面积；f(·)为单调减函数，帆船横滚角较大时，风帆张开面积较小，而帆船横滚角较小时，风帆张开面积较大。 

本实施例的有益效果在于，在帆船自主航行的过程中，通过调整风帆以及风帆的受风面积，从而使得帆船获得较大的推进力。同时，通过上述数学表达 式计算并调整帆船自主航行过程中的风帆尺寸，从而使得帆船在自主航行过程中，保证安全航行的同时，获得最优风帆张开面积，实现了对风帆张开面积的精准调控。 

进一步地，如图2示出的步骤S207、步骤S208、步骤S209以及步骤S210，上述步骤S207-S210针对于帆船自主航行过程中航向区的划分方式，提出了以下技术方案： 

a.根据上述真实风的风向信息划分航向区。 

b.根据当前目标航路点和帆船的相对位置关系，计算当前目标航路点相对于帆船的相对方位角。 

c.根据上述相对方位角确定当前目标航路点所处的航向区。 

具体实施方式如下所述： 

根据计算所得的真实风向，将以帆船为中心的周向360度方向划分为四个航向区，分别是迎风不可航行区I、右侧风区II，左侧风区III，顺风区IV。 

其中，迎风不可航行区I是正逆风左右各45度的角度区域，该区域内帆船无法航行。 

顺风区IV为正顺风左右各30度的角度区域。 

考虑到在顺风区IV内航行效率较低和稳定性较差，顺风区IV在本发明中被视作不宜航行的角度区域。 

在迎风不可航行区I与顺风区IV之间的两块角度区域分别是右侧风区II和左侧风区III。 

其中，当帆船迎风时，右侧船舷所对为右侧风区II，左侧船舷所对为左侧风区III。 

右侧风区II和左侧风区III为可航行的角度区域。 

帆船将在右侧风区II和左侧风区III两个角度区域内航行，接近并到达当前目标点。 

进一步地，如图2示出的步骤S210，按如下方法确定当前目标点所处航向区： 

由当前目标点和帆船的相对位置关系，计算当前目标点相对于帆船的相对 方位角∠T_B，由相对方位角确定当前目标点所处的航向区。同时，可参考图8风的矢量关系示意图。 

具体地，本实施例中，如果(∠T_B﹣∠W_S)∈[0,π/4)∪(7π/4,2π)，则目标点处于迎风不可航行区I，表示为T∈I； 

如果(∠T_B﹣∠W_S)∈[π/4,5π/6]，则目标点处于右侧风区II，表示为T∈II； 

如果(∠T_B﹣∠W_S)∈[7π/6,7π/4]，则目标点处于左侧风区III，表示为T∈III； 

如果(∠T_B﹣∠W_S)∈(5π/6,7π/6)，则目标点处于顺风区IV，表示为T∈IV；因为帆船周向360度已经划分为四个航向区，当前目标点的相对方位角必然被某一航向区的角度范围包含，则认为当前目标点属于该航向区。 

本实施例的有益效果在于，通过计算当前目标点相对于帆船的相对方位角确定当前目标点所处的航向区，实现了在帆船自主航行的过程中，对航向区的准确划分。 

进一步地，如图2示出的步骤S211、步骤S212以及步骤S213，上述步骤S211-S213针对于帆船自主航行过程中，确定期望航行向量，跟踪上述期望航行向量，以及调控风帆调整角的具体实施方式，提出了以下技术方案： 

a，根据上述航向区以及当前目标航路点确定期望航向向量。 

b，通过控制舵角，使得帆船的实际航向达到或者跟踪上述期望航向。 

c，根据上述相对风的风向信息，控制风帆调整角。 

其中，按如下方法确定期望航向向量： 

当前目标点属于右侧风区II或者左侧风区III时，由帆船的当前位置指向当前目标点的单位向量即为期望航向向量。 

可以理解，当前目标点属于右侧风区II或者左侧风区III时，帆船可以直接向着当前目标点的方向航行。 

进一步地，当前目标点处于迎风不可航行区I时，为了避开这个角度区域，需要控制帆船，实现抢风行驶，例如，当前目标点处于迎风不可航行区I时，首先，控制帆船驶入右侧风区II或者左侧风区III，然后，当帆船再次处在右侧风区II或者左侧风区III内时，继续选择非迎风不可航行区I行驶，重复按 上述方式行驶，以使得帆船以“Z”字形航行路径到达当前目标点。 

进一步地，在迎风不可航行区I与右侧风区II的交界角度处设定右侧贴风向量VII_I，可以理解，当帆船按照上述设定的右侧贴风向量VII_I行驶时，在航行路线最短的条件下，避免了帆船驶入迎风不可航行区I，从而使得航线规划的最优化。 

同理，在迎风不可航行区I与左侧风区III的交界角度处设定左侧贴风向量VIII_I，其中右侧贴风向量VII_I和左侧贴风向量VIII_I都为单位向量。 

进一步地，为了实现帆船的抢风航行，需要轮流地将右侧贴风向量VII_I和左侧贴风向量VIII_I设定为期望航向向量。 

进一步地，当前目标点处于顺风区IV时，为了提高航行效率和稳定性，需要帆船避开顺风区航行，以“Z”字形航行路径到达当前目标点。 

进一步地，在顺风区IV与右侧风区II的交界角度处设定右侧顺风向量VII_IV，在顺风区IV与左侧风区III的交界角度处设定左侧顺风向量VIII_IV，其中右侧顺风向量VII_IV和左侧顺风向量VIII_IV都为单位向量。 

进一步地，轮流地将右侧顺风向量VII_IV和左侧顺风向量VIII_IV设定为期望航向向量，以实现当前目标点处于顺风区IV时的“Z”字形航行。 

在本实施例中，当确定了上述期望航行向量后，再将控制舵的偏转角度，以跟踪由上述期望航行向量确定的期望航向。具体实施方式如下所述： 

首先，可以理解的是，在帆船的自主航行过程中，舵的偏转可以控制帆船的实际航向，通过控制舵角使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。 

情形一：如果期望航向在实际航向的右侧，则舵角向右偏转； 

情形二：如果期望航向在实际航向的左侧，则舵角向左偏转。 

在本实施例中，设期望航向向量与帆船的实际航向向量之间的夹角表示为∠Heading，其取值范围在[0,2π)； 

舵角表示为δ，舵角δ以向右舷侧偏转为正，向左舷侧偏转为负。 

因此，可以采用最简单的比例控制方法，将航向夹角∠Heading映射到舵角δ上，数学描述为： 

当∠Heading∈[0,π]时，δ＝Kp·∠Heading 

当∠Heading∈(π,2π)时，δ＝﹣Kp·|∠Heading﹣2π| 

其中Kp为比例系数。 

进一步地，舵角控制这一步骤也可以采用其它现有的控制方法，例如，PD控制、PID控制、模糊控制、神经网络控制等经典控制方法，应当理解的是，上述PD控制等控制方法属于现有技术手段，在此不必赘述。 

当按上述数学表达式计算得到舵角δ后，由帆船的驱动与控制系统控制船舵转动到δ角度，以完成对帆船舵角的控制。 

在本实施例中，当帆船根据上述步骤完成对舵角的控制后，再将根据相对风的风向，控制风帆调整角。具体实施方式如下所述： 

首先，可以理解的是，帆船的驱动与控制系统并不能直接控制风帆调整角θ，驱动与控制系统需要先放松连接于风帆末端的风帆绳索，在风的作用下风帆才可被吹向一方，此时风帆与帆船中线面所呈的角度为风帆调整角θ。 

因此，风帆的松紧与风帆调整角的关系如下所述： 

风帆被放得越松，风帆调整角越大； 

风帆被拉得越紧，风帆调整角越小。 

也即，风帆调整角是被动的依赖于风的吹动形成的，受约束于风帆控制绳索的长度，所以驱动与控制系统直接控制风帆绳索的长度L_rope，以间接控制风帆调整角θ。 

更进一步地，风帆调整角影响风帆的推进效率，一般而言，将风帆调整角控制为相对风的风向∠W_B的一半左右(如图6所示)，数学表达式为 

θ＝∠W_B/2 

其中，驱动与控制系统直接控制的风帆绳索的长度L_rope的表达式为 

L_rope＝Ku·∠W_B

其中Ku为比例系数。 

由上述实施方式可知，通过上述数学表达式计算得出风帆控制角，同时，通过计算得出风帆绳索的长度，直接通过调整风帆绳索的长度以实现对风帆控制角的调整。 

进一步地，根据上述实施例，在帆船的自主航行过程中，循环进行由风和 目标点的方位确定航向区与期望航向、控制舵的角度以跟踪期望航向、调整风帆调整角等操作，直至到达航行终点。 

可以理解，实施本发明的帆船自主控制方法，在帆船的自主航行过程中，通过航向区的划分、期望航向向量的计算、舵角的控制、风帆张开面积与调整角的控制，系统地完成了自动生成航向，自主控制舵和帆，从而实现了帆船的自主控制。 

实施例三 

图3是本发明帆船自主控制方法的推进控制的细化流程图。 

在帆船自主航行的过程中，如果确定帆船航速过慢，则启动推进器做辅助推动。为了避免推进器频繁地开启和停止，可以按如下方式对该步骤作进一步细化设计： 

首先，判断推进器当前是否正在运行。 

如果上述步骤判定推进器当前没有运行，则继续判断航速是否小于设定阀值Vmin。 

如果上述步骤判定航速小于Vmin成立，则推进器运行，做辅助推动。 

如果上述步骤判定航速小于Vmin不成立，则推进器仍然停止。 

如果上述步骤判定推进器当前正在运行，则继续判断航速是否大于设定阀值Vmax。 

如果上述步骤判定航速大于Vmax成立，则推进器停止运行。 

如果上述步骤判定航速大于Vmax不成立，则推进器继续运行。 

其中，Vmin、Vmax分别是根据经验设定的航速阀值，设定时需要满足不等式条件Vmin<Vmax。 

上述步骤的意义可以解释为，航速小于Vmin时，推进器启动；航速大于Vmax时，推进器停止；航速介于Vmin和Vmax之间时，推进器维持当前的运行状态或者停止状态。 

实施例四 

图4本发明帆船自主控制方法的期望航向向量计算的细化流程图。 

基于上述实施例，确定期望航向向量可以进一步细化为如下步骤： 

首先，S210，判断当前目标点所处的航向区。 

如果当前目标点处于右侧风区II或者左侧风区III，则由帆船的当前位置指向当前目标点的单位向量T_B即为期望航向向量。(步骤S2111-S2115) 

向量T_B的角度可以表示为∠T_B。 

如果判断得到当前目标点处于迎风不可航行区I时，则需要按如下步骤确定新的期望航向向量： 

确定右侧贴风向量V_{II_I}和左侧贴风向量V_{III_I}。 

其中右侧贴风向量的角度∠V_{II_I}是在正逆风方向上再顺时针转动45度，该向量的长度为1； 

其中左侧贴风向量的角度∠V_{III_I}是在正逆风方向上再逆时针转动45度，该向量的长度为1。 

步骤S2112，判定当前期望航向向量是右侧贴风向量V_{II_I}还是左侧贴风向量V_{III_I}。 

所谓当前期望航向向量就是上一算法循环所确定的航向向量，如果当前航向向量既不是右侧贴风向量V_{II_I}也不是左侧贴风向量V_{III_I}，则假设当前航向向量为右侧贴风向量V_{II_I}。可以理解，按照不同的习惯，如果当前航向向量既不是右侧贴风向量V_{II_I}也不是左侧贴风向量V_{III_I}时，也可以假设当前航向向量为左侧贴风向量V_{III_I}。 

S21121，根据上述步骤的判定，如果当前航向向量为右侧贴风向量V_{II_I}，则方向指标Vindex设定为0。 

S21123，A、计算右侧贴风向量V_{II_I}的方向乘数Multi0, 

Multi0＝1﹢Jfactor·|0﹣Vindex| 

同时，计算左侧贴风向量V_{III_I}的方向乘数Multi2， 

Multi2＝1﹢Jfactor·|2﹣Vindex| 

其中，Jfactor为跃阶因子，为根据经验设定的常数，Vindex是方向指标。跃阶因子影响当前航向在右侧贴风向量V_{II_I}和左侧贴风向量V_{III_I}之间的相互 切换。 

S21125，判断不等式一： 

Multi2·|∠V_{III_I}﹣∠T_B|≦Multi0·|∠V_{II_I}﹣∠T_B| 

是否成立。其中，Multi2是左侧贴风向量V_{III_I}的方向乘数，∠T_B是期望航向向量T_B的角度。 

S21127，如果上述步骤中的不等式成立，则新的期望航向向量设定为左侧贴风向量V_{III_I}。 

S21128，如果上述步骤中的不等式不成立，则新的期望航向向量仍然为右侧贴风向量V_{II_I}。 

S21122，根据上述步骤判别，如果当前航向向量为左侧贴风向量V_{III_I}，则方向指标Vindex设定为2。 

S21124，B、计算右侧贴风向量V_{II_I}的方向乘数Multi0， 

Multi0＝1﹢Jfactor·|0﹣Vindex| 

同时，计算左侧贴风向量VIII_I的方向乘数Multi2， 

Multi2＝1﹢Jfactor·|2﹣Vindex| 

S21126，判断不等式二： 

Multi2·|∠V_{III_I}﹣∠T_B|≧Multi0·|∠V_{II_I}﹣∠T_B

是否成立。其中，Jfactor为跃阶因子，为根据经验设定的常数，Vindex是方向指标，∠T_B是期望航向向量T_B的角度。 

S21128，如果上述步骤中的不等式成立，则新的期望航向向量设定为右侧贴风向量V_{II_I}。 

S21127，如果上述步骤中的不等式不成立，则新的期望航向向量仍然为左侧贴风向量V_{III_I}。 

当前目标点处于迎风不可航行区I时，期望航向向量根据以上步骤S2111确定。 

在航行过程中，帆船的当前位置指向当前目标点的单位向量T_B会时刻变化，期望航向向量也会在右侧贴风向量V_{II_I}和左侧贴风向量V_{III_I}之间有规律地切换。 

如果在确定当前目标点所处航向区时，判断当前目标点处于顺风区IV时，则需要按如下步骤确定新的期望航向向量： 

S2115，计算右侧顺风向量V_{II_IV}和左侧顺风向量V_{III_IV}。其中右侧顺风向量的角度∠V_{II_IV}是在正顺风方向上再逆时针转动30度(也就是正逆风方向再顺时针转动150度)，该向量的长度为1；其中左侧顺风向量的角度∠V_{III_IV}是在正顺风方向上再顺时针转动30度(也就是正逆风方向再逆时针转动150度)，该向量的长度为1。 

S2116，判定当前期望航向向量是右侧顺风向量V_{II_IV}还是左侧顺风向量V_{III_IV}。如果当前航向向量既不是右侧顺风向量V_{II_IV}也不是左侧顺风向量V_{III_IV}，则假设当前航向向量为右侧顺风向量V_{II_IV}。可以理解，按照不同的习惯，如果当前航向向量既不是右侧顺风向量V_{II_IV}也不是左侧顺风向量V_{III_IV}时，也可以假设当前航向向量为左侧顺风向量V_{III_IV}。 

S21161，根据上述步骤的判定，如果当前航向向量为右侧顺风向量V_{II_IV}，则方向指标Vindex设定为1。 

S21163，A、计算右侧顺风向量V_{II_IV}的方向乘数Multi1, 

Multi1＝1﹢Jfactor·|1﹣Vindex| 

其中，Jfactor为跃阶因子，为根据经验设定的常数，Vindex是方向指标，∠T_B是期望航向向量T_B的角度。 

同时，计算左侧顺风向量V_{III_IV}的方向乘数Multi3， 

Multi3＝1﹢Jfactor·|3﹣Vindex| 

S21165，判断不等式三： 

Multi3·|∠V_{III_IV}﹣∠T_B|≦Multi1·|∠V_{II_IV}﹣∠T_B| 

是否成立。其中，Jfactor为跃阶因子，为根据经验设定的常数，Vindex是方向指标，∠T_B是期望航向向量T_B的角度。 

S21167，如果上述步骤中的不等式成立，则新的期望航向向量设定为左侧顺风向量V_{III_IV}。 

S21168，如果上述步骤中不等式不成立，则新的期望航向向量仍然为右侧顺风向量V_{II_IV}。 

S21162，根据上述步骤的判别，如果当前航向向量为左侧顺风向量V_{III_IV}，则方向指标Vindex设定为3。 

S21164，B、计算右侧顺风向量V_{II_IV}的方向乘数Multi1, 

Multi1＝1﹢Jfactor·|1﹣Vindex| 

同时，计算左侧顺风向量V_{III_IV}的方向乘数Multi3， 

Multi3＝1﹢Jfactor·|3﹣Vindex| 

S21166，判断不等式四： 

Multi3·|∠V_{III_IV}﹣∠T_B|≧Multi1·|∠V_{II_IV}﹣∠T_B| 

是否成立。其中，Jfactor为跃阶因子，为根据经验设定的常数，Vindex是方向指标，∠T_B是期望航向向量T_B的角度。 

S21168，如果上述步骤中不等式成立，则新的期望航向向量设定为右侧顺风向量V_{II_IV}。 

S21167，如果上述步骤中不等式不成立，则新的期望航向向量仍然为左侧顺风向量V_{III_IV}。 

当前目标点处于顺风区IV时，期望航向向量根据以上步骤S2115确定。 

可以理解，在航行过程中，帆船的当前位置指向当前目标点的单位向量T_B会时刻变化，期望航向向量也会在右侧顺风向量V_{II_IV}和左侧顺风向量V_{III_IV}之间有规律地切换，切换规律由上述计算式确定。 

在自主航行的过程中，通过上述算法步骤，可以确定帆船当前目标点在不同航向区时的期望航向向量。 

步骤S212，当计算得到不同航向区的期望航向向量之后，再根据上述实施例对舵角的控制方式，对舵角实施相应的调控，以使得实际航向向量跟踪确定的期望航向向量。 

本实施例的有益效果在于，通过上述详细算法，以确定期望航向向量，实现对期望航行向量的精准调控。 

实施例五 

图5是本发明较佳实施例提供的帆船自主控制装置的结构框图。 

该装置包括：航路点设置模块10、目标航路点确定模块20、期望航向确定模块30、控制模块40以及判断模块50。 

首先，通过航路点设置模块10在航行路径中设置至少一个航路点；当完成航路点的设置操作后，通过目标航路点确定模块20获取帆船的航行信息，将帆船所在位置的下一航路点设置为目标航路点。 

在帆船向目标航路点航行的过程中，通过期望航向确定模块30根据帆船和目标航路点的相对方位、以及真实风的方向确定期望的航向向量。 

然后，再通过控制模块40根据相对风向信息控制帆船的风帆状态，并根据帆船当前的航向与期望的航向向量，控制帆船的舵角以达到或者跟踪期望航向。 

最后，通过判断模块50判断帆船是否到达航行终点。 

具体地，判断模块50包括第一判断单元51以及第二判断单元52，其中， 

通过第一判断单元51判断帆船是否到达目标航路点；若未到达，则返回期望航向确定步骤，若已到达，则通知第二判断单元； 

然后再通过第二判断单元52判断目标航路点是否为航行终点；如果不是，则返回目标航路点确定步骤，如果是，则结束。 

进一步地，期望航向确定模块30包括：真实风信息获取单元31、航向区划分单元32、相对方位角确定单元33以及航向区确定单元34。具体地，该模块按如下操控方式完成相应的功能： 

首先，通过真实风信息获取单元31获取真实风的信息； 

然后，通过航向区划分单元32根据所述真实风的风向信息，以帆船为中心划分航向区； 

通过相对方位角确定单元33根据目标航路点和帆船的相对位置，计算目标航路点相对于帆船的相对方位角； 

最后，通过航向区确定单元34根据所述相对方位角确定目标航路点所处的航向区。 

进一步地，真实风信息获取单元31还用于， 

获取相对于帆船船体的相对风的风速信息和风向信息； 

对航速信息、航向信息、相对风的风速信息以及相对风的风向信息进行矢量计算，根据矢量计算的结果获得相对于岸的真实风的风速信息和风向信息。 

进一步地，控制模块40包括第一实际航行控制单元41以及第二实际航行控制单元42，其中， 

通过第一实际航行控制单元41控制舵的偏转，以控制帆船的实际航向； 

同时，通过第二实际航行控制单元42控制舵角，使帆船的实际航向达到或者跟踪期望航向。 

进一步地，控制模块40还包括风帆调整角控制单元43。风帆调整角控制单元43根据所述相对风的风向信息，控制风帆调整角。 

进一步地，控制模块40还包括姿态角度获取单元44以及求救信号处理单元45，具体地： 

通过姿态角度获取单元44获取帆船的姿态角度，其中，姿态角度包括航向角、俯仰角和横滚角； 

通过求救信号处理单元45在所述俯仰角超过第一预设危险值时或者当横滚角超过第二预设危险值时，发出帆船倾翻的求救信号，并结束航行。 

上述模块所带来的有益效果在于，在帆船的自主航行过程中，通过对航向区的划分、期望航向向量的计算，提供一套整体性的帆船自主航行的控制方法，系统地实现帆船航行路径的自动生成、风帆状态的自动控制、舵角的自动控制功能。从整体上看，一方面，提高了帆船自主控制的可操控性和准确性，另一方面，航线规划自适应性较高。 

实施例六 

如图6所示为本发明提供的一种帆船的硬件结构图。 

本帆船包括：船体1，风帆2，舵3，控制器4，推进器5，惯性测量模块6，全球定位模块7，风传感器8。 

其中，船体1、风帆2、舵3组成了帆船的本体；风帆2安置于船体1的上表面，并与船体1活动连接；舵3安置于船体1的尾端并与控制器4电性连 接；控制器4设置于船体1的壳体内，可以理解，用于收纳控制器4的空间具有防水功能；推进器5安置于船体1的底端；惯性测量模块6安置于船体的1中部，可以理解，根据获取惯性测量的最大准确度设置该模块的安置位置；全球定位模块7安置于船体1的上表面，用于接收卫星信号；风传感器8通过连接杆与船体1的上表面固定连接。可以理解，控制器4分别与上述风帆2、舵3、推进器5、惯性测量模块6、全球定位模块7以及风传感器8电性连接。 

可以理解，上述实施例五提供的帆船自主控制装置可作为本实施例的控制器4，该帆船自主控制装置按预设的功能需求，向本帆船的风帆2、舵3、推进器5、惯性测量模块6、全球定位模块7以及风传感器8发送相应的控制命令，以使其完成相应的操作动作。 

图6中所示为三体帆船，本发明的硬件系统并不限于三体帆船，也可以为单体帆船或者双体帆船。 

惯性测量模块6提供船体1的在全局惯性坐标系中的姿态信息，包括航向角、俯仰角和横滚角。 

全球定位模块7获得帆船的经、纬度位置数据、航速和航向信息。 

风传感器8提供相对于船体的相对风的风速和风向。 

控制器4，接收各传感器信号及各数据信息，根据所述帆船自主控制方法，计算出舵3和风帆2的控制量，并执行相应控制动作，实现帆船的自主无人航行。 

在另一实施例中，在帆船航速过慢时，推进器5作辅助推动。 

实施例七 

图7是本发明帆船自主控制方法的目标点所处航行区时的相对方位示意图。 

其中，图7a、7b、7c中所示{S}为岸基平面坐标系，该坐标系的X轴指向正北，Y轴指向正东，以X轴为起始轴顺时针方向为正的角度值。岸基平面坐标系{S}是固定的全局坐标系。 

实施例八 

图8是本发明帆船自主控制方法的船基平面坐标系示意图。 

其中，图8a、图8b、图8c中所示{B}分别为单体帆船、双体帆船和三体帆船的船体上建立的船基平面坐标系{B}。 

可以理解，在图8a示出的单体帆船坐标系中，该坐标系以船体的质心为其坐标原点；由质心出发指向船头并与船体基平面平行为X轴；由质心出发指向右舷的为Y轴；以X轴为起始轴顺时针方向为正的角度值。 

在图8b示出的双体帆船坐标系中，双体帆船包含两个以X轴为对称关系的子船体。 

在图8c示出的三体帆船坐标系中，三体帆船包含一个主船体以及两个子船体，其中，主船体按图8a示出的单体船的方式建立坐标，两个子船体按图7示出的双体船的方式，以X轴为对称关系建立两个子船体。 

可以理解，上述三个船体的坐标系均是以船体的质心为其坐标原点；由质心出发指向船头并与船体基平面平行为X轴；由质心出发指向右舷的为Y轴；以X轴为起始轴顺时针方向为正的角度值。船基平面坐标系{B}是随着船体一起运动的局部坐标系。 

采用以上方式建立了岸基平面坐标系{S}和船基平面坐标系{B}，目的是为了与全球定位系统、风传感器、惯性测量单元的标定方法相一致。 

在本实施例中，还有如下优选技术方案： 

如图7与图8所示，整个控制算法的所用岸基平面坐标系的X轴指向正北，Y轴指向正东，以X轴为起始轴顺时针方向为正的角度值。 

帆船船体上建立船基平面坐标系，船体的质心为其坐标原点； 

由质心出发指向船头并与船体基平面平行为X轴； 

由质心出发指向右舷的为Y轴； 

以X轴为起始轴顺时针方向为正的角度值。 

采用以上方式建立坐标系，以保证与全球定位模块7、风传感器8、惯性测量模块6的标定方法相一致。 

实施例九 

图9是本发明帆船自主控制方法的风的矢量关系示意图。 

航速V_S、相对风W_B、真实风W_S之间的矢量关系如图9所示，矢量表达可以写成W_S＝W_B﹢V_S。 

进一步地，由于控制器4并不能直接控制风帆调整角θ，控制器4需要先放松连接于风帆末端的风帆绳索，在风的作用下风帆2才可被吹向一方，此时风帆2与帆船中线面所呈的角度为风帆调整角θ。 

如图9所示，风帆被放得越松，风帆调整角越大；风帆被拉得越紧，风帆调整角越小。也就是说，风帆调整角是被动的依赖于风的吹动形成的，受约束于风帆控制绳索的长度，所以控制器4直接控制风帆绳索的长度L_rope，以间接控制风帆调整角θ。 

实施例十 

图10是本发明帆船自主控制方法的风传感器的标定示意图。 

图10中所示为风传感器的角度标定方式，风传感器8安装于船体1的中线面，风传感器8的X轴指向船头，船头正面迎风时相对风的风向∠W_B为零度，相对风向以顺时针方向为正。 

本发明整个控制方法的核心是航向区的划分、期望航向向量的计算、舵角的控制、风帆张开面积与调整角的控制、推进器的辅助推动。同时，本发明的帆船自主控制方法能根据“目标、风、帆船”三者之间的关系，自动生成航向，自主控制舵和帆，实现无人自主航行。 

可以认为，本发明还增强了帆船自主控制中的自主操控性以及自适应性。 

应当理解的是，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，而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。