[發明專利]一種抗浪節能的無人艇路徑跟蹤方法

有效

• 申請號: 201810032467.2
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108227715B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 張山甲;王建華;張程;趙名繪
• 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;G05B13/02;G05B11/42
• 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

1.一種抗浪節能的無人艇路徑跟蹤方法，其特征在于包括以下步驟：

一、設置無人艇的起點和終點，并計算無人艇的導航角；假設無人艇當前位置為G(X,Y)，終點是一個以R(X_R,Y_R)為圓心，R為半徑，方向為順時針的圓形軌跡；P′為無人水面艇所處位置G與圓心R的連線與圓周的交點；l_c為過圓周上點P′的切線；根據圓形可視距離LOS導引律可以計算出導航角φ_los：

其中，為無人艇當前位置與終點的距離；φ_GR為無人艇當前位置和終點的連線與Y方向的夾角；Δ為導航點P_los和切點P′的距離；Δh為無人艇當前位置和切點P′的距離；β為漂角；φ_usv為無人艇艏向角；

二、利用無人艇搭載的視覺檢測功能，根據水面波浪環境具有不同的紋理特性，基于波浪圖像的傅里葉變換，通過對不同等級、不同光照條件下波浪圖像的頻率特性分析，建立一種根據不同矩形環之間能量比的關系來檢測波浪浪高和遭遇角；其具體步驟為：

1、對采集的彩色圖像進行直方圖均衡化，以增強圖像特征，然后轉換為灰度圖像；

2、對步驟1中的灰度圖像進行傅里葉變換，離散的傅里葉變換定義為：

其中，f(x,y)是圖像的灰度值，x、y為空間域中圖像的橫、縱坐標軸；F(u,v)是兩個實頻率變量u和v的復值函數，頻率u對應于x軸，頻率v對應于y軸，u＝0,1,…,M-1；v＝0,1,…,N-1；傅里葉變換的振幅譜、相位譜和能量譜分別為：

P(u,v)＝|F(u,v)|²＝R²(u,v)+I²(u,v)

其中，R(u,v)，I(u,v)分別表示F(u,v)的實部和虛部；傅里葉變換提取圖像特征的常用方法是周向譜能量法，周向譜能量的計算公式為：

其中，P(r,θ)是P(u,v)的極坐標表示形式，θ＝arctg(v/u)；即在功率譜中計算以圖像形心為中心的一系列同心圓環內能量的和的值，這種算法得到的傅里葉周向頻率分布圖并不能完全反映圖像的頻率特性，而與圖像相近的一系列逐漸變大矩形環內的功率譜能量則可以真正反映出圖像的頻率特性；

3、把步驟2得到的圖像功率譜分成I個等寬度的矩形環，能量比分為I級，用Pei表示第i個矩形環內的能量與總能量之比；設圖像大小為M×N，圖像中心為(M/2，N/2)，則每個矩形環內能量比可以表示為：

式中表示第i個矩形環內能量，u，v取值范圍分別為：

其中，m表示u方向的漸變幅度，n表示v方向的漸變幅度，m，n最大值分別為M、N；

4、由步驟3得到的特征量來檢測水面的波浪等級；

三、以步驟二檢測到的浪高和遭遇角作為模糊推理模塊輸入，建立浪高、遭遇角與控制器結構參數的關系；

波浪觀測模塊的輸出浪高H的基本論域為(0,0.2,0.4,0.6)，其模糊子集為{Z，PS，PM，PB}；

波浪觀測模塊的輸出遭遇角為ψ，由于順浪、逆浪時遭遇角對稱相等，可將遭遇角轉化為同側并定義遭遇角的論域，模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

模糊推理模塊輸出k_p論域為(0.3，2，4，6，8，10，12)，模糊子集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

模糊推理模塊輸出k_d論域為(0.1，1.65，3.3，4.95，6.31，7.96，12)；

模糊推理模塊基于以下表1、表2獲得k_p、k_d模糊輸出，經過去模糊化處理得到k_p、k_d的精確值；

表1 Kp模糊推理規則

表2 Kd模糊推理規則

四、系統根據步驟三的輸出動態調節PD控制器的參數，并通過計算得到無人艇的左側推進電機的輸入電壓U_l和右側推進電機的輸入電壓U_r，其U_l和U_r的計算方法為：

其中，k_p、k_d為模糊推理模塊計算得到的值，ω為波浪的圓頻率，U＝12V；

五、運用步驟四得到的無人艇左右推進電機的電壓，推動無人艇前進。