[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

本發明公開了一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法。所述包括以下步驟：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；構建無人船多模式路徑跟蹤控制系統；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。本發明采用的路徑拓展模塊克服了路徑信息有限的不良條件，并可以平滑路徑信息；本發明采用的嚴格路徑選擇模塊能夠應對嚴格跟蹤任務需求，在跟蹤過程中嚴格跟蹤初始路徑點；本發明采用的縱向速度制導律有效利用了路徑信息并抑制了無人船在路徑切向角突變處的過沖現象。

技術領域

本發明涉及無人船航行控制領域，具體為一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法。

背景技術

目前，無人船在海洋測繪、水質采樣、環境監測、水文探測、海上搜救等諸多領域發揮了越來越大的作用，其具有廣闊的發展空間與應用前景，涵蓋的技術領域非常廣泛。具備自動化功能的無人船為相關團隊的實驗提供了便利，但在執行任務過程中，作為實驗平臺的無人船有著更多功能和模式的需求。很多現有的無人船跟蹤方法通常只能一直正向跟蹤路徑，對路徑參數更新具有嚴格的要求，不能在跟蹤過程中實時干預并調整已經設定好的跟蹤方向和路徑信息來實現反向跟蹤和改變路徑形狀。

中國專利CN 11506086 A公開了一種改進LOS引導律結合模糊PID的無人船路徑跟蹤控制方法，該方法通過增加變速控制律到LOS引導律以及采用模糊PID設計控制器，在一定程度上降低了航速對無人船路徑跟蹤控制的影響。該方法采取了有限路徑點來進行路徑的跟蹤，通過判斷與下一個點的距離來跟新跟蹤的路徑點，這種方法沒有考慮到切換路徑點數目過少時切換路徑點會給控制效果帶來不好的影響，并且沒有嚴格跟蹤設置好的路徑，即不能有效的跟蹤第一個路徑點。

在傳統的LOS路徑跟蹤方法中，由于設定期望縱向速度為定值且沒有充分利用到路徑信息。這使得在無人船經過路徑切向角突變的路徑點時，原有的縱向速度太大導致控制算法不能及時調整姿態來很好的跟蹤路徑，在路徑切向角突變的路徑點附近產生了過沖現象，導致跟蹤效果不良。

發明內容

為了解決現有技術的上述問題，本發明目的在于提供一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法，能夠在跟蹤過程中實時干預并調整跟蹤模式、應對嚴格跟蹤需求和克服路徑信息有限并且在路徑切向角突變點處有效減輕過沖現象的路徑跟蹤控制方法。

本發明的目的至少通過如下技術方案之一實現。

一種基于速變LOS的無人船多模式路徑跟蹤控制方法，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；

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。

進一步地，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：