[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

本發明提供一種無人艇折線航跡跟蹤控制方法、控制器以及無人艇，能夠有效減少運行計算量，降低切換過渡的超調量，同時提高航跡跟蹤控制的精確性和可靠性。折線航跡跟蹤控制方法包括：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；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；設計折線航跡過渡段的定?；剞D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；進行無人艇的航速控制計算；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；按照以上步驟控制無人艇按照期望航跡行駛。

技術領域

本發明屬于船舶工程和船舶自動化航行領域，具體涉及一種無人艇折線航跡跟蹤控 制方法、控制器以及無人艇。

背景技術

水面無人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)，簡稱無人艇，作為一種智能化的無人 海洋裝備，近年來備受世界各國研究人員的關注；無人艇在軍事應用、商業開發、科學考察等方面，無人艇具有廣闊的應用前景和巨大的商業價值，在配備一定的傳感器系統、通信系統、控制系統以及武器系統等條件下，無人艇可進入常規有人船舶不宜進入的惡 劣危險海域，執行各種軍事以及非軍事任務，如：軍事偵察、反潛作戰、海上氣象預報、 水文地理勘察、海上搜救、海上環境監測等。

與無人機、無人車、無人潛水器等無人裝備一樣，智能性也是無人艇研制過程中的一項重要指標；航跡跟蹤能力是無人艇智能性的重要體現要素之一，無人艇在執行任務 過程中要跟蹤或繞過船只、實現編隊航行等，均需依賴其航跡跟蹤能力。無人艇的航跡 跟蹤系統，是一類典型的欠驅動系統和二階非完整系統，且高速航行過程中，風浪流等 復雜海洋環境干擾影響也將比中低速航行時大大增強，要保證其自主航跡跟蹤的穩定性 和精確性，這對航跡跟蹤系統的可靠性和自適應性要求很高。

折線航跡跟蹤是無人艇航跡跟蹤控制領域最基本也最重要的一種類型，通常將若干 個關鍵航路點連接成若干條折線航跡的形式來實現無人艇的折線航跡跟蹤控制。目前應 用最多的方法是視線法導向，同時在折線航跡上設計若干個引導點，通過對引導點的跟蹤從而實現對整條折線航跡的跟蹤控制。該方法存在以下幾方面的不足：

(1)折線航跡上引導點的設計會增加計算工作量，頻繁的引導點切換和判斷降低整個系統的運行速度，且對引導點的切換策略要求很高，設計稍微不合理便會出現無法 實現跟蹤的情況。

(2)傳統視線法通過到關鍵航路點進行折線航跡的切換，切換過程中控制系統的超調量很大，且在切換瞬間的控制作用變化劇烈，在反復的振蕩控制作用之后才緩慢進 入收斂狀態，對執行機構損耗較大。

(3)現有折線航跡跟蹤控制算法中的艏向角控制策略，一般是基于PID控制方法設計的，該方法控制精度較低，且不能充分體現無人艇本身的運動特性，針對每個艇的 模型不一樣該方法不能隨模型自適應調整。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種無人艇折線航跡跟蹤控制 方法、控制器以及無人艇，能夠有效減少運行計算量，降低切換過渡的超調量，同時提高整個折線航跡跟蹤控制系統的精確性和可靠性。本發明為了實現上述目的，采用了以 下方案：

方法

本發明提供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：