本發(fā)明涉及無人船控制方法，特別涉及基于改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

1、無人船技術(shù)，作為水面自主作業(yè)平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)，正日益受到重視。它在軍事偵察、海洋監(jiān)測、資源勘探等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。無人船的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，尤其是路徑跟蹤控制，是實(shí)現(xiàn)其自主作業(yè)的核心。本發(fā)明的方案主要對(duì)無人船的路徑跟蹤控制的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、在復(fù)雜多變的水域環(huán)境中，無人船的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅受到系統(tǒng)本身不穩(wěn)定性的影響，還會(huì)受到風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境因素的干擾，這些因素都對(duì)無人船的控制策略提出了更高的要求。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種控制方法，包括但不限于los制導(dǎo)律控制法、滑?？刂?、預(yù)測模型控制以及智能算法控制等。這些方法往往通過改進(jìn)或融合多種技術(shù)來提高無人船在實(shí)際應(yīng)用中的性能和可靠性。

3、在無人船的導(dǎo)航與控制技術(shù)研究中，目前的方法存在局限性，具體表現(xiàn)在：(1)當(dāng)前的路徑跟蹤技術(shù)通常需要依賴于高度精確的船只模型。然而，在實(shí)際操作中，模型的不準(zhǔn)確性和外部環(huán)境因素(例如風(fēng)速、波浪、水流)的干擾可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)航出現(xiàn)顯著偏差，從而降低控制效果。(2)在實(shí)際操作中，無人船模型的參數(shù)或控制器的參數(shù)往往通過試錯(cuò)法進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，這一過程計(jì)算量大，且響應(yīng)速度慢，不利于快速實(shí)施和工程化應(yīng)用

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了基于改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法，步驟s1，建立無人船運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

2、

3、其中，η表示位移角度向量，用于表示無人船在平面內(nèi)的位置和方向信息；v表示速度向量，用于表示無人船在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度；τ表示推力和力矩向量，用于控制無人船的運(yùn)動(dòng)；m表示慣性矩陣，c(v)表示科式力-向心力矩陣，d(v)表示對(duì)無人船運(yùn)動(dòng)的阻尼作用；

4、建立動(dòng)力學(xué)模型：

5、其中,x表示縱蕩上的推力，即無人船在縱向的推進(jìn)力；n表示艏搖上力矩，kt表示方向舵系數(shù)，表示推力系數(shù)，ρ表示水密度，n表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，dp表示電機(jī)螺旋槳直徑，u表示推進(jìn)速度，lr表示無人船長度，δr表示方向舵偏轉(zhuǎn)角度；

6、步驟s2，對(duì)los制導(dǎo)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，定義一系列的航路點(diǎn)p1,p2…pk-1,pk…pn，假設(shè)當(dāng)前需要跟蹤的航路點(diǎn)pk(xk，yk)，其上一航路點(diǎn)為將兩個(gè)相鄰航路點(diǎn)和pk(xk，yk)進(jìn)行連接，其los的參考值plos(xlos,ylos)求解公式如下；

7、以無人船為圓心所做的los可接受圓的半徑為r，該計(jì)算出los角ψlos為：

8、

9、步驟s3，通過反步法對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；

10、步驟s4，通過在matlab和simulink中建立相應(yīng)的模型，對(duì)基于觀測器的los制導(dǎo)結(jié)合反步法控制進(jìn)行仿真和效果評(píng)估。

11、步驟s1中η＝[x?y?ψ]t,v＝[u?v?r]t,τ＝[τu·0··τr]t，τu表示推進(jìn)力，τr表示轉(zhuǎn)矩，τd＝[τdu·τdv·τdr]t表示船體各個(gè)方向的干擾力和力矩。

12、進(jìn)一步的，步驟s3中跟蹤期望船艏向ψd時(shí)，利用反步法構(gòu)造子系統(tǒng)，將rd當(dāng)作是子系統(tǒng)的輸入，再次需要找到合適的rd使得ψ趨于ψd。

13、進(jìn)一步的，控制方法包括，

14、步驟s101，模型構(gòu)建與初始化，建立無人船運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，明確位移、速度、推力向量關(guān)系及相關(guān)矩陣，考慮欠驅(qū)動(dòng)性簡化模型，確定各項(xiàng)參數(shù)；輸入期望路徑信息，定義航路點(diǎn)，計(jì)算los相關(guān)參數(shù)如參考值、角度，設(shè)定可接受圓半徑；

15、步驟s102，信息獲取與誤差判斷，獲取無人船當(dāng)前姿態(tài)信息，利用傳感器得到位置、航向角、速度數(shù)據(jù)；判斷是否存在航跡誤差，計(jì)算實(shí)際位置與期望路徑的偏差，依據(jù)偏差情況決定后續(xù)流程；

16、步驟s103，控制參數(shù)計(jì)算與調(diào)整，若存在誤差，利用改進(jìn)los制導(dǎo)律計(jì)算期望艏向角，引入可視距離優(yōu)化計(jì)算；采用反步法，通過定義誤差、構(gòu)造方程求導(dǎo)、設(shè)計(jì)控制律操作優(yōu)化控制器參數(shù)；

17、步驟s104，根據(jù)期望艏向角控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角，使無人船調(diào)整航向；判斷無人船是否到達(dá)終點(diǎn)，若到達(dá)則結(jié)束任務(wù)，未到達(dá)則返回信息獲取步驟繼續(xù)跟蹤。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：(1)本發(fā)明結(jié)合改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法，在路徑跟蹤過程中能夠更精確地控制無人船的航向和位置。通過準(zhǔn)確計(jì)算期望艏向角和優(yōu)化控制器參數(shù)，無人船可以更精準(zhǔn)地跟蹤期望路徑，有效減少橫向跟隨誤差和航向角偏差，提高路徑跟蹤的精度；(2)本發(fā)明的控制方法在復(fù)雜環(huán)境下，使無人船能夠更穩(wěn)定地航行，無論是直線軌跡還是曲線軌跡跟蹤，都能表現(xiàn)出較好的控制效果。

技術(shù)特征：

1.基于改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法，其特征在于：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所示的基于改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法，其特征在于：步驟s3中跟蹤期望船艏向ψd時(shí)，利用反步法構(gòu)造子系統(tǒng)，將rd當(dāng)作是子系統(tǒng)的輸入，再次需要找到合適的rd使得ψ趨于ψd。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所示的基于改進(jìn)los制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法，其特征在于：控制方法包括，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于改進(jìn)LOS制導(dǎo)律與反步法的無人船路徑跟蹤控制方法，涉及無人船控制方法技術(shù)領(lǐng)域，通過建立無人船運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和建立動(dòng)力學(xué)模型，并通過對(duì)控制系統(tǒng)簡化，得到簡化模型；設(shè)計(jì)LOS制導(dǎo)律，并采用反步法優(yōu)化控制器參數(shù)，以使得無人船在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中獲得更好的動(dòng)態(tài)特性。本發(fā)明結(jié)合改進(jìn)LOS制導(dǎo)律與反步法，在路徑跟蹤過程中能夠更精確地控制無人船的航向和位置。通過準(zhǔn)確計(jì)算期望艏向角和優(yōu)化控制器參數(shù)，無人船可以更精準(zhǔn)地跟蹤期望路徑，有效減少橫向跟隨誤差和航向角偏差，提高路徑跟蹤的精度。

技術(shù)研發(fā)人員：方健,熊宇峰,袁長友,楊曉輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：九江精密測試技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9