[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

本發明提出了一種抗浪節能的無人艇路徑跟蹤方法，基于現有的水面無人艇路徑跟蹤控制方法，增加一個波浪觀測模塊和一個模糊推理模塊；以波浪觀測模塊檢測的浪高和遭遇角作為模糊推理模塊的輸入；模糊推理模塊建立浪高、遭遇角與控制器結構參數的關系，動態調節控制器的結構參數，既保證了無人艇的跟蹤精度，又達到了節能的目的。

技術領域：

本發明涉及水面無人艇路徑跟蹤領域，具體地說，是一種抗浪節能的無人艇路徑跟蹤方法。

背景技術：

無人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)是海洋空間智能無人運載器中的一種，是一種能夠進入未知或者危險領域執行任務的裝備。無人艇的路徑跟蹤是執行任務的關鍵技術，無人艇在路徑跟蹤過程中易受到波浪干擾，為提高抗干擾性能，現有控制方法多采用較大的控制增益，例如一種基于模糊PID的無人水面艇直線跟蹤方法，楊釗，申請號：201410027287.7。但這樣的方法會增大能源消耗，縮短續航時間。針對該問題，本發明提出一種抗浪節能的無人艇路徑跟蹤方法，在保證跟蹤精度的前提下降低無人艇的能耗。

發明內容：

為了實現上述目的，本發明提出一種變參數的水面無人艇路徑跟蹤控制方法。本發明采取的技術方案是：基于現有的水面無人艇路徑跟蹤控制方法，增加一個波浪觀測模塊和一個模糊推理模塊；以波浪觀測模塊檢測的浪高和遭遇角作為模糊推理模塊輸入；模糊推理模塊建立浪高、遭遇角與控制器結構參數的關系，動態調節控制器的結構參數，在保證跟蹤精度的前提下達到了節能的目的；該方法包括以下步驟：

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：

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，P(u,v)，θ＝arctg(v/u)，即周向譜能量法是計算一系列同心圓環內能量的和值，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；