基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法
【专利说明】基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法
[技术领域]
[0001] 本发明涉及到智能化无人平台，具体是一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面 艇直线路径跟踪方法。
[【背景技术】]
[0002] 无人水面航行器（USV)，又被称为水面机器人，作为人类开发和利用海洋的重要工 具之一，凭借其模块化、无人化、小型化、智能化等优点，受到越来越多的重视。目前世界上 多个国家都在开展无人艇领域的研宄，其中处于领先地位的是以色列和美国。20世纪90年 代国外的无人艇研宄项目大量涌现，其中具有典型代表性的是美国的"Spartan"号和以色 列的"Protector"号。他们不仅在自主航行与岸基操控方面有良好的性能，同时还装备有 导航雷达、摄像头、GPS等外设，具有极强的应用价值，可以自主完成多项不同的水面任务。 较之国外，国内的无人水面艇研宄起步较晚，而且国内的无人艇研宄多数都停留在遥控或 者比较单一的自主航行阶段，关键技术和有效的智能控制方法比较欠缺。因此，无人水面艇 智能化方面的前瞻性研宄和探索已是当务之急。无人水面艇的自主路径跟踪是实现无人艇 智能化的关键技术，直线路径跟踪又是无人艇自主路径跟踪的基础。
[0003] 在上海市科委的资助下，近年来上海海事大学航运技术与控制工程交通行业重点 实验室研制出了一种可实现自主路径跟踪的无人水面艇平台。在此实验平台的基础上，文 献[1]提出一种PID控制方法实现该无人艇在无风浪环境下的直线路径跟踪，但PID控制 器在无人艇初始航向角和跟踪路径倾斜角偏差较大时会出现大迂回现象。专利[2]使用模 糊PID控制方法实现直线路径跟踪，解决了专利[1]中出现的大迂回现象。
[0004] 现有无人水面艇直线路径跟踪方法虽然多数可以实现一定效果的自主路径跟踪， 但大多数都将使用范围限制在了理想或者无风浪影响的环境下，而在无人艇的实际航行 中，难免会遇到风浪的水面环境，在此种环境中，以上方法都使无人艇的路径跟踪或多或少 的失去其预期的性能。
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【发明内容】
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[0005] 本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面 艇直线路径跟踪方法。在充分考虑水面风速的情况下，使USV可抵抗恒定横风实现直线路 径跟踪，并通过对控制系统关键的修正、优化，使跟踪误差保持在精度范围内。
[0006] 本发明所述抵基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法针对不 同船长比对路径跟踪的不同影响，结合模糊控制，提出了可变船长比的直线路径跟踪方法， 以距离偏差和距离偏差的变化率作为模糊控制器的输入，以船长比作为模糊控制器的输 出，动态的调整船长比，进而调整航向角来调苄基于LOS(Line-of-Sight)原理跟踪期望航 向角a $的ro控制器的输入输出参数，控制无人艇左右两侧电机的电压，实现在水面横风 的环境下，无人水面艇的直线路径跟踪。并通过一种航向修正与误差补偿办法，减小横风环 境下路径跟踪的静态误差，提高干扰环境中无人艇直线路径跟踪的效果。
[0007] 本发明所述基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法是基于 LOS (Line-of-Sight)控制方法实现的，通过在直线路径上选取合适的虚拟导航点，引导无 人水面艇跟踪此虚拟导航点，最终使无人水面艇沿着直线路径航行；选取的虚拟导航点与 无人水面艇在直线路径上的投影点之间有一定的距离，此距离一般称为无人水面艇的可视 距离，是基于船体长度的，可视距离与船长的比值是船长比；无人水面艇与虚拟导航点的连 线相对于直线路径方位具有一定的方向，将其看作期望航向，期望航向包含直线路径方位， 虚拟导航点的方向以及无人水面艇漂角等信息。无人水面艇通过调整左右侧电压，使得无 人水面艇跟踪此期望航向，以达到跟踪直线路径的目的。
[0008] 为了实现本发明基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，第一 步建立控制对象：
[0009] 设定大地坐标系X0Y，选取合适的虚拟导航点构成直线路径AB，直线路径AB的 起点坐标和终点坐标分别为A (Xi，YD和B (X2, Y2)，无人水面艇重心的坐标为〇 (X，Y)， YMS)为直线路径上的虚拟导航点，a k为直线路径的方位，即直线路径与大地坐标Y轴 的夹角，0为无人水面艇的漂角，即水面艇的速度矢量与无人水面艇附体坐标系x轴的夹 角，h为距离偏差，即无人水面艇到直线路径AB的垂直距离，A为无人水面艇的可视距离， 即虚拟导航点与无人水面艇在直线路径上的投影点之间的距离，A = n ? L，n为船长比，L 为艇体长度，无人水面艇跟踪期望航向a,，即无人水面艇重心和虚拟导航点的连线与大地 坐标Y轴之间的夹角，《为无人水面艇的转动角速度，步为无人水面艇的航向，即无人水面 艇附体坐标系x轴与大地坐标系Y轴之间的夹角，V为无人水面艇的速度，期望航向由下式 求得： a = ak+arctan (_h/ A ) -13 0
[0010] 第二步建立本发明所述无人水面艇的运动模型：
【主权项】
1.一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于包括w 下步骤： 一、 建立控制对象： 设定大地坐标系XOY，选取合适的虚拟导航点构成直线路径AB，直线路径AB的起点坐 标和终点坐标分别为A狂1，Yi)和B狂2,Y2)，无人水面艇重屯、的坐标为0狂，Y)， 狂ws，Yws)为直线路径上的虚拟导航点，ak为直线路径的方位，即直线路径与大地坐 标Y轴的夹角，0为无人水面艇的漂角，即水面艇的速度矢量与无人水面艇附体坐标系X轴 的夹角，h为距离偏差，即无人水面艇到直线路径AB的垂直距离，A为无人水面艇的可视距 离，即虚拟导航点与无人水面艇在直线路径上的投影点之间的距离，A=n吃，11为船长比， L为艇体长度，无人水面艇跟踪期望航向a，即无人水面艇重屯、和虚拟导航点的连线与大 地坐标Y轴之间的夹角，《为无人水面艇的转动角速度，iD为无人水面艇的航向，即无人水 面艇附体坐标系X轴与大地坐标系Y轴之间的夹角，V为无人水面艇的速度，期望航向由下 式求得：日4二ak+arctan(-h/A) - 0 ; 二、建立无人水面艇运动模型：
式中，Xp=Xww+X，ave，Xww和X胃e分别表示风和浪作用在艇体上的力在附体坐标系X轴上分量，Xp是合力；Yp=Y，hd+Y，ave，Yw"d和Y，ave分别表示风和浪作用在艇体上的力在附体 坐标系y轴上分量，Yf是合力；Nf=Nwnd+N，ave，Nwnd和N胃e分别表示风和浪作用在艇体上转 向力矩，Np是合力矩，m为无人艇的总质量，d为无人水面艇的宽度，F1、Fr为艇体左右两侧 螺旋奖的推力，fx为沿无人水面艇艇体方向的阻力，fy为横漂时的阻力，f1和fr分别为艇体 两侧的阻力，《为无人水面艇的绕重屯、的转动角速度，J= 3. 6为无人水面艇的转动惯量； k。为无人水面艇转动时的阻巧系数，Uf，Vf为无人水面艇相对于水流的速度在附体坐标系 上的分量； S、设计跟踪期望航向a,的PD控制器：du = -(//) + K^,?{-(〇) 'U,二 \2-du U,'=\2 + du 式中Kp和Kd分别为PD控制器的参数，iD为无人水面艇的航向，《为无人水面艇的转 动角速度，化为电压偏差值，Ui，Uf分别为无人水面艇左右侧电机的控制电压； 四、建立距离偏差h和距离偏差变化率化的计算模块： 对于起点坐标和终点坐标A、B，W及无人艇在t时刻的位置0,A、B、0S点的坐标为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均为向量， 则h=化-Xi) (Y-Yi)-狂-Xi) 化-Yi) /IABI。 进而推出距离偏差率的计算如下：
五、 设计模糊控制器： 模糊控制器W距离偏差h和距离偏差变化率化为输入，W船长比n为输出；定义 距离偏差h的论域范围为[-15,1引，h被模糊化为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正 大}，模糊子集表示为{NB，醒，NS，Z，PS，PM，PB};定义距离偏差变化率化的论域范围为 [-1.5,1.引，化被模糊化为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，模糊子集表示为 (NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB};定义船长比n的论域范围为[0. 5, 5]，模糊子集为{PS，PB，PM}; 模糊推理规则表为：
六、 利用步骤五所得到船长比n的模糊输出量，采用面积重屯、法对模糊输出量进行去 模糊处理，得到船长比n的精确值，将得到的船长比n输出给PD控制器，进而控制无人艇左 右两侧电机的控制电压，推动无人水面艇在水面横风的环境下运行。
2. 如权利要求1所述的基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，其 特征在于，还包括航向修正与误差补偿方法，当风速达到一临界值时，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为无人水面艇感受到的风速，a。为无人水面艇感受到的风向，其他变量不变。
3. 如权利要求2所述的基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，其 特征在于，所述临界值指6m/s。
【专利摘要】本发明公开了一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法。针对不同船长比对路径跟踪的不同影响，结合模糊控制，提出了可变船长比的直线路径跟踪方法，以距离偏差和距离偏差的变化率作为模糊控制器的输入，以船长比作为模糊控制器的输出，动态的调整船长比，进而调整航向角来调节基于LOS原理跟踪期望航向角αφ的PD控制器的输入输出参数，控制无人艇左右两侧电机的电压，实现在水面横风的环境下，无人水面艇的直线路径跟踪。并通过一种航向修正与误差补偿办法，减小横风环境下路径跟踪的静态误差，提高干扰环境中无人艇直线路径跟踪的效果。
【IPC分类】G05B13-04, G05D1-02
【公开号】CN104850122
【申请号】CN201510242564
【发明人】赵梦铠, 王建华, 郑体强, 裴肖颜, 祝镜
【申请人】上海海事大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月13日