[發明專利]基于可變船長比的抵抗側風無人水面艇直線路徑跟蹤方法

有效

• 申請號: 201510242564.0
• 申請日: 2015-05-13
• 公開（公告）號: CN104850122B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 趙夢鎧;王建華;鄭體強;裴肖顏;祝鏡
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05B13/04
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙)31230
• 代理人: 陳偉勇

[技術領域]

本發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風無人水面艇直線路徑跟蹤方法。

[背景技術]

無人水面航行器(USV)，又被稱為水面機器人，作為人類開發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域的研究，其中處于領先地位的是以色列和美國。20世紀90年代國外的無人艇研究項目大量涌現，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，同時還裝備有導航雷達、攝像頭、GPS等外設，具有極強的應用價值，可以自主完成多項不同的水面任務。較之國外，國內的無人水面艇研究起步較晚，而且國內的無人艇研究多數都停留在遙控或者比較單一的自主航行階段，關鍵技術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究和探索已是當務之急。無人水面艇的自主路徑跟蹤是實現無人艇智能化的關鍵技術，直線路徑跟蹤又是無人艇自主路徑跟蹤的基礎。

在上海市科委的資助下，近年來上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室研制出了一種可實現自主路徑跟蹤的無人水面艇平臺。在此實驗平臺的基礎上，文獻[1]提出一種PID控制方法實現該無人艇在無風浪環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大迂回現象。專利[2]使用模糊PID控制方法實現直線路徑跟蹤，解決了文獻[1]中出現的大迂回現象。

現有無人水面艇直線路徑跟蹤方法雖然多數可以實現一定效果的自主路徑跟蹤，但大多數都將使用范圍限制在了理想或者無風浪影響的環境下，而在無人艇的實際航行中，難免會遇到風浪的水面環境，在此種環境中，以上方法都使無人艇的路徑跟蹤或多或少的失去其預期的性能。

[發明內容]

本發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風無人水面艇直線路徑跟蹤方法。在充分考慮水面風速的情況下，使USV可抵抗恒定橫風實現直線路徑跟蹤，并通過對控制系統關鍵的修正、優化，使跟蹤誤差保持在精度范圍內。

本發明所述抵基于可變船長比的抵抗側風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，動態的調整船長比，進而調整航向角來調節基于LOS(Line-of-Sight)原理跟蹤期望航向角α_φ的PD控制器的輸入輸出參數，控制無人艇左右兩側電機的電壓，實現在水面橫風的環境下，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，減小橫風環境下路徑跟蹤的靜態誤差，提高干擾環境中無人艇直線路徑跟蹤的效果。

本發明所述基于可變船長比的抵抗側風無人水面艇直線路徑跟蹤方法是基于LOS(Line-of-Sight)控制方法實現的，通過在直線路徑上選取合適的虛擬導航點，引導無人水面艇跟蹤此虛擬導航點，最終使無人水面艇沿著直線路徑航行；選取的虛擬導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。無人水面艇通過調整左右側電壓，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。

為了實現本發明基于可變船長比的抵抗側風無人水面艇直線路徑跟蹤方法，第一步建立控制對象：