[發明專利]無人艇折線航跡跟蹤控制方法、控制器以及無人艇

有效

• 申請號: 202010418137.4
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111650932B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 董早鵬;王浩;劉洋;宋利飛;姜昊
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

1.一種無人艇折線航跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1.根據預先設定的期望經過的航路點，設計無人艇的期望折線航跡，并計算無人艇到任一折線段航跡的有向距離；

無人艇期望經過航路點為p_k時，下一條目標直線航跡方程設計成：

其中，(x_k,y_k)，(x_k+1,y_k+1)為設計參考折線中一段直線的首尾兩點，(x_i,y_i)為折線航跡上的點坐標值；

無人艇到折線航跡的有向距離為：

步驟2.基于有向距離設計無人艇折線航跡跟蹤控制過程的艏向角引導律，使無人艇加速靠近目標航跡；

式中，為期望艏向角，e為無人艇與期望折線段航跡的有向距離，△為視距，v為無人艇橫向速度，u為無人艇縱向速度；

步驟3.設計折線航跡過渡段的定常回轉圓平滑過渡策略，在即將進入下一條折線航跡前，使得無人進入定常圓回轉狀態；

在折線航跡中由p_k-1p_k段到p_kp_k+1段的切換過程中，使用半徑為R的圓弧切直線航跡，定義圓弧與兩直線航跡相切點為s₁,s₂，R的值取為無人艇的定常回轉半徑；判斷無人艇是否到達切換點的策略設計為：

d≤R+Rcosθ

式中，R為設計的理想相切圓的半徑，θ為兩條直線航航跡的夾角，通過判斷無人艇到下一條折線航跡的距離是否滿足上式來判斷無人艇是否達到切換航跡點s₁，滿足時無人艇切換至過渡狀態，過渡狀態無人艇控制方法形式如下：

τ_r＝N_R

式中τ_r為控制轉艏力矩，N_R為試驗得到的能夠讓無人艇按照半徑為R的圓弧軌跡運動的參考值；

判斷無人艇到達s₂點時，切換控制轉艏力矩，判斷依據為下式：

式中，R_d為設計的閾值，當d≤R_d時，則認定無人艇已經到達s₂點，此時無人艇終止定常回轉階段，切換轉艏控制力矩，按照步驟5設計控制力矩，然后進入跟蹤下一條折線航跡p_kp_k+1的跟蹤模式，更新期望航路點為p_k+1，重新執行步驟1與步驟2；

步驟4.無人艇的航速控制計算方法為：

式中，t為時間變量，X_pro(t)為當前時刻所需的縱向推力，X_pro(t-1)為上一時刻的縱向推力，△X_pro(t)為當前時刻縱向力控制量變化量，u_e為當前航速與期望航速的差值，表達式為u_e＝u_d-u，u_d為期望航速，u為當前航速；

步驟5.設計艏向角速度的虛擬輸入，基于非線性反步法的逐步遞推，得到期望艏向角的控制律；

無人艇的艏向控制系統為：

式中，為無人艇期望艏向角，為無人艇期望艏向角變化率，為無人艇實際艏向角，為無人艇實際艏向角變化率，為當前艏向角與期望艏向角的誤差值，為當前艏向角與期望艏向角的誤差值的變化率，ψ(u,v)表示包含u,v兩項的函數，χ(r)表示包含r的線性項與非線性項，τ_rr表示常數項與轉艏力矩合值，a₄為比例系數；

艏向角速度r的虛擬輸入為

艏向角速度r的虛擬輸入偏差為r_e：

則在虛擬輸入作用下：

且

無人艇的艏向角控制誤差系統：

期望艏向角控制律為：

；

按照以上步驟1至5控制無人艇按照期望航跡行駛。

2.一種采用權利要求1所述的無人艇折線航跡跟蹤控制方法來跟蹤控制無人艇行駛航跡的無人艇折線航跡跟蹤控制器。

3.一種具有權利要求2所述的無人艇折線航跡跟蹤控制器的無人艇。