[發明專利]一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202110548443.4
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113296505B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 陳芳炯;嚴鑫鵬;季飛;余華;官權升
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

1.一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、建立慣性坐標系下固定雙槳推進無人船的三自由度運動學和動力學模型；

S2、構建無人船多模式路徑跟蹤控制系統；

所述無人船多模式路徑跟蹤控制系統包括路徑拓展模塊、嚴格路徑選擇模塊和多模式決策模塊；

路徑拓展模塊根據拓展后的路徑點數目和輸入路徑點數目計算得到插值步長，接收多模式決策模塊傳遞的信號，對輸入路徑信息分別進行分段線性插值、球面插值得到拓展后的路徑信息；

嚴格路徑選擇模塊根據拓展后路徑信息設置第一虛擬任務點，根據拓展后的路徑信息和第一虛擬任務點通過路徑參數更新律、艏搖角制導律和縱向速度制導律得到當前跟蹤路徑參數、路徑切向角矩陣、期望艏搖角和縱向速度；

多模式決策模塊根據第一虛擬任務點、期望艏搖角和縱向速度，通過第一PID控制器、第二PID控制器控制無人船的運動；

無人船在跟蹤路徑時，多模式決策模塊實時接收指令使無人船多模式路徑跟蹤控制系統實現不同的功能；

S3、實時對無人船多模式路徑跟蹤控制系統中的多模式決策模塊下達指令，實現無人船多模式路徑跟蹤控制。

2.根據權利要求1所述的一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法，其特征在于，步驟S1中，運動學與動力學模型的建立過程如下：

建立慣性坐標系下固定雙槳推進無人船的三自由度運動學和動力學模型，其中，O_ex_ey_e是建立在地球上的慣性坐標系，船體坐標系是以船體中心為原點，縱向指向船艏并平行水面，橫向垂直于船艏并平行于水面，在地球上的慣性坐標系下無人船的運動學和動力學模型為：

其中，ψ是無人船當前的艏搖角，u,v,r分別表示船體坐標系中的縱向速度、橫向速度和艏搖角速度；τ_u和τ_r分別表示無人船動力裝置產生的縱向推力和橫向力矩，τ₁,τ₂,τ₃分別表示無人船在縱向、橫向、艏向上受到的干擾力，m_ii和d_ii分別為實驗無人船的給定慣性系數和阻尼系數；由于不考慮外界干擾，τ₁,τ₂,τ₃設置為0；為無人船當前的位置(x,y)的對應導數，和為對應的導數；

其中τ_u＝f₁+f₂，τ_r＝(f₁-f₂)·B/2；B表示無人船雙槳的橫向距離，f₁和f₂分別表示兩個螺旋槳的推力；

由于固定雙槳推進無人船以兩個直流電機為推進系統，兩個螺旋槳分別對應兩個直流電機，螺旋槳推力和電調輸出電壓有如下線性關系：f＝kV；

結合上述方程最終得到實際的控制輸入：左電機控制電壓V_L和右電機控制電壓V_R分別為：

V_L＝(2·τ_r/B+τ_u)/2k，V_R＝(-2·τ_r/B+τ_u)/2k；

則動力學方程進一步改寫為：

3.根據權利要求1所述的一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法，其特征在于，路徑拓展模塊中，給定拓展后的路徑點數目N_e，路徑信息輸入點的個數N_n，設計插值步長：

根據多模式決策模塊的信號，由插值步長step對輸入的路徑信息進行分段線性插值或球面插值得到拓展后的路徑信息為：

其中，(x_i,y_i)是path_in插值前的第i個路徑點坐標，(x_θ,y_θ)為path_in經過插值后的第θ個路徑點的坐標，θ表示一個與時間無關的路徑參數，拓展后的路徑信息為最終無人船的跟蹤路徑信息。