基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法
【專利說明】基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法
[技術(shù)領(lǐng)域]
[0001] 本發(fā)明涉及到智能化無人平臺，具體是一種基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面 艇直線路徑跟蹤方法。
[【背景技術(shù)】]
[0002] 無人水面航行器（USV)，又被稱為水面機器人，作為人類開發(fā)和利用海洋的重要工 具之一，憑借其模塊化、無人化、小型化、智能化等優(yōu)點，受到越來越多的重視。目前世界上 多個國家都在開展無人艇領(lǐng)域的研宄，其中處于領(lǐng)先地位的是以色列和美國。20世紀(jì)90年 代國外的無人艇研宄項目大量涌現(xiàn)，其中具有典型代表性的是美國的"Spartan"號和以色 列的"Protector"號。他們不僅在自主航行與岸基操控方面有良好的性能，同時還裝備有 導(dǎo)航雷達、攝像頭、GPS等外設(shè)，具有極強的應(yīng)用價值，可以自主完成多項不同的水面任務(wù)。 較之國外，國內(nèi)的無人水面艇研宄起步較晚，而且國內(nèi)的無人艇研宄多數(shù)都停留在遙控或 者比較單一的自主航行階段，關(guān)鍵技術(shù)和有效的智能控制方法比較欠缺。因此，無人水面艇 智能化方面的前瞻性研宄和探索已是當(dāng)務(wù)之急。無人水面艇的自主路徑跟蹤是實現(xiàn)無人艇 智能化的關(guān)鍵技術(shù)，直線路徑跟蹤又是無人艇自主路徑跟蹤的基礎(chǔ)。
[0003] 在上海市科委的資助下，近年來上海海事大學(xué)航運技術(shù)與控制工程交通行業(yè)重點 實驗室研制出了一種可實現(xiàn)自主路徑跟蹤的無人水面艇平臺。在此實驗平臺的基礎(chǔ)上，文 獻[1]提出一種PID控制方法實現(xiàn)該無人艇在無風(fēng)浪環(huán)境下的直線路徑跟蹤，但PID控制 器在無人艇初始航向角和跟蹤路徑傾斜角偏差較大時會出現(xiàn)大迂回現(xiàn)象。專利[2]使用模 糊PID控制方法實現(xiàn)直線路徑跟蹤，解決了專利[1]中出現(xiàn)的大迂回現(xiàn)象。
[0004] 現(xiàn)有無人水面艇直線路徑跟蹤方法雖然多數(shù)可以實現(xiàn)一定效果的自主路徑跟蹤， 但大多數(shù)都將使用范圍限制在了理想或者無風(fēng)浪影響的環(huán)境下，而在無人艇的實際航行 中，難免會遇到風(fēng)浪的水面環(huán)境，在此種環(huán)境中，以上方法都使無人艇的路徑跟蹤或多或少 的失去其預(yù)期的性能。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述問題，提供一種基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面 艇直線路徑跟蹤方法。在充分考慮水面風(fēng)速的情況下，使USV可抵抗恒定橫風(fēng)實現(xiàn)直線路 徑跟蹤，并通過對控制系統(tǒng)關(guān)鍵的修正、優(yōu)化，使跟蹤誤差保持在精度范圍內(nèi)。
[0006] 本發(fā)明所述抵基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法針對不 同船長比對路徑跟蹤的不同影響，結(jié)合模糊控制，提出了可變船長比的直線路徑跟蹤方法， 以距離偏差和距離偏差的變化率作為模糊控制器的輸入，以船長比作為模糊控制器的輸 出，動態(tài)的調(diào)整船長比，進而調(diào)整航向角來調(diào)芐基于LOS(Line-of-Sight)原理跟蹤期望航 向角a $的ro控制器的輸入輸出參數(shù)，控制無人艇左右兩側(cè)電機的電壓，實現(xiàn)在水面橫風(fēng) 的環(huán)境下，無人水面艇的直線路徑跟蹤。并通過一種航向修正與誤差補償辦法，減小橫風(fēng)環(huán) 境下路徑跟蹤的靜態(tài)誤差，提高干擾環(huán)境中無人艇直線路徑跟蹤的效果。
[0007] 本發(fā)明所述基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法是基于 LOS (Line-of-Sight)控制方法實現(xiàn)的，通過在直線路徑上選取合適的虛擬導(dǎo)航點，引導(dǎo)無 人水面艇跟蹤此虛擬導(dǎo)航點，最終使無人水面艇沿著直線路徑航行；選取的虛擬導(dǎo)航點與 無人水面艇在直線路徑上的投影點之間有一定的距離，此距離一般稱為無人水面艇的可視 距離，是基于船體長度的，可視距離與船長的比值是船長比；無人水面艇與虛擬導(dǎo)航點的連 線相對于直線路徑方位具有一定的方向，將其看作期望航向，期望航向包含直線路徑方位， 虛擬導(dǎo)航點的方向以及無人水面艇漂角等信息。無人水面艇通過調(diào)整左右側(cè)電壓，使得無 人水面艇跟蹤此期望航向，以達到跟蹤直線路徑的目的。
[0008] 為了實現(xiàn)本發(fā)明基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法，第一 步建立控制對象：
[0009] 設(shè)定大地坐標(biāo)系X0Y，選取合適的虛擬導(dǎo)航點構(gòu)成直線路徑AB，直線路徑AB的 起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)分別為A (Xi，YD和B (X2, Y2)，無人水面艇重心的坐標(biāo)為〇 (X，Y)， YMS)為直線路徑上的虛擬導(dǎo)航點，a k為直線路徑的方位，即直線路徑與大地坐標(biāo)Y軸 的夾角，0為無人水面艇的漂角，即水面艇的速度矢量與無人水面艇附體坐標(biāo)系x軸的夾 角，h為距離偏差，即無人水面艇到直線路徑AB的垂直距離，A為無人水面艇的可視距離， 即虛擬導(dǎo)航點與無人水面艇在直線路徑上的投影點之間的距離，A = n ? L，n為船長比，L 為艇體長度，無人水面艇跟蹤期望航向a,，即無人水面艇重心和虛擬導(dǎo)航點的連線與大地 坐標(biāo)Y軸之間的夾角，《為無人水面艇的轉(zhuǎn)動角速度，步為無人水面艇的航向，即無人水面 艇附體坐標(biāo)系x軸與大地坐標(biāo)系Y軸之間的夾角，V為無人水面艇的速度，期望航向由下式 求得： a = ak+arctan (_h/ A ) -13 0
[0010] 第二步建立本發(fā)明所述無人水面艇的運動模型：
【主權(quán)項】
1.一種基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特征在于包括w 下步驟： 一、 建立控制對象： 設(shè)定大地坐標(biāo)系XOY，選取合適的虛擬導(dǎo)航點構(gòu)成直線路徑AB，直線路徑AB的起點坐 標(biāo)和終點坐標(biāo)分別為A狂1，Yi)和B狂2,Y2)，無人水面艇重屯、的坐標(biāo)為0狂，Y)， 狂ws，Yws)為直線路徑上的虛擬導(dǎo)航點，ak為直線路徑的方位，即直線路徑與大地坐 標(biāo)Y軸的夾角，0為無人水面艇的漂角，即水面艇的速度矢量與無人水面艇附體坐標(biāo)系X軸 的夾角，h為距離偏差，即無人水面艇到直線路徑AB的垂直距離，A為無人水面艇的可視距 離，即虛擬導(dǎo)航點與無人水面艇在直線路徑上的投影點之間的距離，A=n吃，11為船長比， L為艇體長度，無人水面艇跟蹤期望航向a，即無人水面艇重屯、和虛擬導(dǎo)航點的連線與大 地坐標(biāo)Y軸之間的夾角，《為無人水面艇的轉(zhuǎn)動角速度，iD為無人水面艇的航向，即無人水 面艇附體坐標(biāo)系X軸與大地坐標(biāo)系Y軸之間的夾角，V為無人水面艇的速度，期望航向由下 式求得：日4二ak+arctan(-h/A) - 0 ; 二、建立無人水面艇運動模型：
式中，Xp=Xww+X，ave，Xww和X胃e分別表示風(fēng)和浪作用在艇體上的力在附體坐標(biāo)系X軸上分量，Xp是合力；Yp=Y，hd+Y，ave，Yw"d和Y，ave分別表示風(fēng)和浪作用在艇體上的力在附體 坐標(biāo)系y軸上分量，Yf是合力；Nf=Nwnd+N，ave，Nwnd和N胃e分別表示風(fēng)和浪作用在艇體上轉(zhuǎn) 向力矩，Np是合力矩，m為無人艇的總質(zhì)量，d為無人水面艇的寬度，F(xiàn)1、Fr為艇體左右兩側(cè) 螺旋獎的推力，fx為沿?zé)o人水面艇艇體方向的阻力，fy為橫漂時的阻力，f1和fr分別為艇體 兩側(cè)的阻力，《為無人水面艇的繞重屯、的轉(zhuǎn)動角速度，J= 3. 6為無人水面艇的轉(zhuǎn)動慣量； k。為無人水面艇轉(zhuǎn)動時的阻巧系數(shù)，Uf，Vf為無人水面艇相對于水流的速度在附體坐標(biāo)系 上的分量； S、設(shè)計跟蹤期望航向a,的PD控制器：du = -(//) + K^,?{-(〇) 'U,二 \2-du U,'=\2 + du 式中Kp和Kd分別為PD控制器的參數(shù)，iD為無人水面艇的航向，《為無人水面艇的轉(zhuǎn) 動角速度，化為電壓偏差值，Ui，Uf分別為無人水面艇左右側(cè)電機的控制電壓； 四、建立距離偏差h和距離偏差變化率化的計算模塊： 對于起點坐標(biāo)和終點坐標(biāo)A、B，W及無人艇在t時刻的位置0,A、B、0S點的坐標(biāo)為A化，Yi)，B狂2,Y2)，0狂，Y)，采用向量叉乘的方法；
其中AB，AO，i，j，k均為向量， 則h=化-Xi) (Y-Yi)-狂-Xi) 化-Yi) /IABI。 進而推出距離偏差率的計算如下：
五、 設(shè)計模糊控制器： 模糊控制器W距離偏差h和距離偏差變化率化為輸入，W船長比n為輸出；定義 距離偏差h的論域范圍為[-15,1引，h被模糊化為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正 大}，模糊子集表示為{NB，醒，NS，Z，PS，PM，PB};定義距離偏差變化率化的論域范圍為 [-1.5,1.引，化被模糊化為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，模糊子集表示為 (NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB};定義船長比n的論域范圍為[0. 5, 5]，模糊子集為{PS，PB，PM}; 模糊推理規(guī)則表為：
六、 利用步驟五所得到船長比n的模糊輸出量，采用面積重屯、法對模糊輸出量進行去 模糊處理，得到船長比n的精確值，將得到的船長比n輸出給PD控制器，進而控制無人艇左 右兩側(cè)電機的控制電壓，推動無人水面艇在水面橫風(fēng)的環(huán)境下運行。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其 特征在于，還包括航向修正與誤差補償方法，當(dāng)風(fēng)速達到一臨界值時，修正后的期望航向如 下： 曰4二曰k+arctan[-扣E?Isin(曰K)I4+1) ?h/A] - 0 式中，Uc為無人水面艇感受到的風(fēng)速，a。為無人水面艇感受到的風(fēng)向，其他變量不變。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其 特征在于，所述臨界值指6m/s。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于可變船長比的抵抗側(cè)風(fēng)無人水面艇直線路徑跟蹤方法。針對不同船長比對路徑跟蹤的不同影響，結(jié)合模糊控制，提出了可變船長比的直線路徑跟蹤方法，以距離偏差和距離偏差的變化率作為模糊控制器的輸入，以船長比作為模糊控制器的輸出，動態(tài)的調(diào)整船長比，進而調(diào)整航向角來調(diào)節(jié)基于LOS原理跟蹤期望航向角αφ的PD控制器的輸入輸出參數(shù)，控制無人艇左右兩側(cè)電機的電壓，實現(xiàn)在水面橫風(fēng)的環(huán)境下，無人水面艇的直線路徑跟蹤。并通過一種航向修正與誤差補償辦法，減小橫風(fēng)環(huán)境下路徑跟蹤的靜態(tài)誤差，提高干擾環(huán)境中無人艇直線路徑跟蹤的效果。
【IPC分類】G05B13-04, G05D1-02
【公開號】CN104850122
【申請?zhí)枴緾N201510242564
【發(fā)明人】趙夢鎧, 王建華, 鄭體強, 裴肖顏, 祝鏡
【申請人】上海海事大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月13日