基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法与流程

本发明涉及海洋溢油回收技术领域，具体涉及一种基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法。

背景技术：

近年来，由于海上石油泄露事件频发，给海洋生态环境以及近海居民的健康造成了巨大的危害。如果不及时清理，溢油大面积扩散，危害的范围将会大大增加。而且，溢油挥发会给参与清理溢油的人员的身体健康造成了不同程度的危害，因此采用无人艇执行溢油回收的工作具有较大的实际研究意义。

申请号为cn201310695162.7的专利，一种无人水上收油艇，提供了一种无人水上收油艇，所述无人艇设有收油装置、塔式集油舱，可以实现远程遥控作业、半自动或全自动作业，可以有效减轻劳动强度，提供人员安全性。该方法提供的是单个无人艇艇进行溢油回收，无法协同作业，而且是将回收的溢油收进集油舱，增加了无人艇的排水量，导致每次回收的油量有限，回收效率较低。

申请号为cn201610121184.6的专利，一种蚁群式动态溢油回收系统及其溢油回收方法，利用子母船将多个无人艇组运送到溢油区，将溢油区进行划分，利用dijkstra算法实现最优路径的选取，以此实现无人艇的航迹规划，完成溢油回收。该方法实际是单个艇进行溢油回收，无人艇之间没有实现协同，而且无人艇的数量太多，相互间容易造成干扰，甚至会发生碰撞事故。

2015年，jimenez等人在文献“fullyautomaticboomtowingbyunmannedships:experimentalstudy”中，提出了采用零空间的方法进行双艇溢油围捕，取得了较好的试验效果。专利号cn201710563410.0，一种面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，是在jimenez等人的研究基础上作了改进，将模糊控制思想应用到基于零空间的行为融合中。两种方法中，计算浮缆作用在无人艇上的力矩是直接采用拉力传感器测出的拉力与无人艇艇体长度的一半的乘积，没有考虑到浮缆与艇体形成夹角的情况，使力矩的计算不准确。

综上所述，目前还没有由拉力传感器和角度传感器测出浮缆的拉力及角度得到精准浮缆力矩的方法，因此需要一种能够在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对轨迹跟踪的误差进行补偿的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法，以提高双艇轨迹跟踪精度，有效避免因双艇轨迹跟踪误差过大导致围捕失败，实现双无人艇协同拖曳围油栏进行围捕溢油。

本发明实施例提供基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法，包括：

步骤一：假设两艘无人艇的队形中心为虚拟领航者，将虚拟领航者记为r，根据已知的双艇位置、溢油区位置以及溢油漂移速度，采用平行导引律计算，得到r的下一时刻规划位置；

步骤二：根据实时围捕要求以及步骤一所述的r的下一时刻规划位置，通过计算分别得到两艘无人艇的下一时刻规划位置；

步骤三：根据两艘无人艇的当前位置以及步骤二所述的两艘无人艇的下一时刻规划位置，采用los算法，通过计算分别得到两艘无人艇的期望艏向，同时利用艏向控制pid算法，通过计算分别得到两艘无人艇的控制舵角，完成轨迹跟踪；

步骤四：根据两艘无人艇的期望位置和两艘无人艇的实际位置，通过计算得到轨迹跟踪的误差，同时采用在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对计算得到的轨迹跟踪的误差进行补偿；

步骤五：根据由拉力传感器和角度传感器测出的浮缆拉力及角度，采用舵力矩公式，产生一个与浮缆力矩大小相等方向相反的舵力矩，通过计算分别得到两艘无人艇的补偿舵角；

步骤六：通过将步骤三所述的两艘无人艇的控制舵角与步骤五所述的两艘无人艇的补偿舵角相加，分别得到两艘无人艇的期望舵角，使两艘无人艇以一定的队形驶向溢油区，完成溢油围捕；

所述步骤四，包括：

根据两艘无人艇的期望位置和两艘无人艇的实际位置，通过计算得到轨迹跟踪的误差，同时采用在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对计算得到的轨迹跟踪的误差进行补偿；

其中，所述在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理为：

将误差分为横向误差δxij以及纵向误差δyij，则有：

上式中，j＝1、2，分别表示双艇的编号；(xqij,yqij)表示第ti时刻双艇的期望位置；(xij,yij)表示双艇的实际位置。

将误差分别在垂直于射线l和平行于射线l方向上进行投影，得到在随船坐标系下，双艇轨迹跟踪的误差为：

综合考虑编队队形控制与艇间避碰，须将误差控制在合理范围内，误差阈值的选取与无人艇的尺寸及操纵性、围捕任务、编队要求有关，假设误差须满足：

通过在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对轨迹跟踪的误差进行补偿，得到：

所述步骤五，包括：

根据由拉力传感器和角度传感器测出的浮缆拉力及角度，采用舵力矩公式，产生一个与浮缆力矩大小相等方向相反的舵力矩，通过计算分别得到两艘无人艇的补偿舵角；

其中，所述计算分别得到两艘无人艇的补偿舵角具体过程为：

实际溢油围捕中，由于围油栏尺寸较大，在围捕溢油的过程中受到的水动力较大，使浮缆传递给无人艇一个较大的转艏力矩：

m＝flsinφ

上式中，f表示由拉力传感器测出来的浮缆作用在无人艇上的拉力；l表示拉力作用点距无人艇重心的纵向距离，一般取无人艇挺体长度的一半；φ表示由角度传感器测出的浮缆与无人艇中纵剖面的夹角。

为主动补偿浮缆力矩m对无人艇艏向的影响，使无人艇的艏向尽快稳定在期望艏向，需要主动操一舵角，产生与浮缆力矩大小相等、方向相反的力矩。舵力矩的表达式为：

nr＝(xr+αhχh)fncosδ

上式中，fn表示的是舵的正压力，且有：

αh表示横向力修正因子,tr表示舵的舵力减额分数，χh表示横向力作用线到船舶重心之间的距离，xr表示横向力作用点的纵向坐标。且有λ为舵展弦比，αr一般取舵角δ。

因此只要满足nr＝-m,就可以避免浮缆力矩对船舶艏向的干扰。即：

解得浮缆力矩补偿舵角：

所述步骤六，包括：

通过将步骤三所述的两艘无人艇的控制舵角与步骤五所述的两艘无人艇的补偿舵角相加，分别得到两艘无人艇的期望舵角，使两艘无人艇以一定的队形驶向溢油区，完成溢油围捕；

其中，所述两艘无人艇的期望舵角，下达给无人艇的自动舵装置，使其操相应舵角，无人艇即可不受浮缆力矩的干扰，通过los法完成轨迹跟踪；

本发明的有益效果在于：

1.本发明由拉力传感器和角度传感器测出浮缆的拉力及角度，可以精准地测出浮缆力矩，在此基础上提出了针对浮缆力矩的前馈补偿方法，使无人艇不受浮缆力矩的干扰；

2.本发明提出在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对轨迹跟踪的误差进行补偿，可以有效避免因双艇轨迹跟踪误差过大导致围捕失败。

3.本发明可以提高双艇轨迹跟踪精度，实现双无人艇协同高效拖曳围油栏进行围捕溢油工作。

附图说明

图1为基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法的流程图；

图2为本发明解算虚拟领航者下一刻位置的示意图；

图3为本发明两艘无人艇的轨迹跟踪的示意图；

图4为本发明两艘无人艇的运动控制的示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明的技术方案是这样实现的：

如图2所示，其中，r为虚拟领航者，其指向溢油围捕目标t构成的射线为l，l与x轴形成的夹角为σ，由r与t之间的距离矢量定义为虚拟领航者速度为vr，溢油围捕目标t的在风浪的影响下以速度vt漂移，vr与l正方向形成的夹角为vt与l正方向形成的夹角为θ为机器人r的航向角。假设虚拟领航者的速度大小为一个恒值，因此双无人艇成功围捕溢油的关键是得到r的理想航向角θ。

则有：

由平行导引律可知，若要使虚拟领航者与目标溢油相遇，达到双艇围捕溢油的目的，需满足：

即：

且有：

假设，ti时刻虚拟领航者的位置为(xi,yi)，则ti+1的期望位置为；

如图3所示，已知，虚拟领航者是两艘无人艇(分别为从艇一号f1，从艇二号f2)的队形中心,现规定双艇的队形为关于射线l对称，则双艇在ti+1时刻的期望位置分别为：

其中，d表示双艇间距的一半，其大小与溢油面积大小、围油栏尺度、虚拟领航者与溢油的距离有关。

以从艇一号f1的los轨迹跟踪为例，由前面推导可知，f1下一时刻的期望位置为(xf1,yf1)，根据gps的数据，可以得知f1当前的位置为(x1,y1),则f1的期望艏向为：

根据磁罗经的数据，可以得知f1当前的艏向为令表示期望艏向与实际艏向的差值，则由pid控制算可以求解出控制舵角：

在进行围捕中，双艇的间距过大，不但会导致围油栏受到的水动力大大增加，艏向更加难以控制，还会使溢油容易漂出围油栏控制范围，使溢油围捕失败。而双艇间距过小，会降低围捕的效率，甚至导致双艇发生碰撞。本发明中，定义了一种在线重新规划双艇期望点位置的方法，并且提出了期望速度的计算原理，达到对轨迹跟踪的误差进行补偿的目的。

为了便于补偿轨迹跟踪的误差，将误差分为横向误差δxij以及纵向误差δyij，则有：

其中，j＝1、2，分别表示双艇的编号；(xqij,yqij)表示第ti时刻双艇的期望位置；(xij,yij)表示双艇的实际位置。

将误差分别在垂直于射线l和平行于射线l方向上进行投影，则可得到在随船坐标系下，双艇轨迹跟踪的误差为：

综合考虑编队队形控制与艇间避碰，须将误差控制在合理范围内，误差阈值的选取与无人艇的尺寸及操纵性、围捕任务、编队要求有关，假设误差须满足：

在以上分析的基础上，本发明中，提出了通过在线重新规划双艇期望点位置的方法以及期望速度的计算原理，对轨迹跟踪的误差进行补偿：

在实际的溢油围捕中，由于围油栏尺寸较大，在围捕溢油的过程中，受到的水动力较大，使浮缆传递给无人艇一个较大的转艏力矩：

m＝flsinφ(17)

其中，f表示由拉力传感器测出来的浮缆作用在无人艇上的拉力；l表示拉力作用点距无人艇重心的纵向距离，一般取无人艇挺体长度的一半；φ表示浮缆与无人艇中纵剖面的夹角，由角度传感器测出。

为了主动补偿浮缆力矩m对无人艇艏向的影响，使无人艇的艏向尽快稳定在期望艏向，需要主动操一个舵角，产生一个与浮缆力矩力矩大小相等，方向相反的力矩。舵力矩的表达式为：

nr＝(xr+αhχh)fncosδ(18)

式中：fn表示的是舵的正压力，且有：

αh表示横向力修正因子,tr表示舵的舵力减额分数，χh表示横向力作用线到船舶重心之间的距离，xr表示横向力作用点的纵向坐标。且有λ为舵展弦比,αr一般取舵角δ。

只要满足nr＝-m,就可以避免浮缆力矩对船舶艏向的干扰。即：

即可得浮缆力矩补偿舵角：

则无人艇最终解算出来的期望舵角：

δ1＝δc1+δδ1(22)

将期望舵角δ1给从艇一号的自动舵装置，使其操相应舵角，从艇一号即可不受浮缆力矩的干扰，通过los法完成轨迹跟踪。双艇完成轨迹跟踪，即表示双艇以期望的队形运动到期望位置，协同完成溢油围捕的任务。