[发明专利]基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及到智能化无人平台，具体是一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法。

[背景技术]

无人水面航行器(USV)，又被称为水面机器人，作为人类开发和利用海洋的重要工具之一，凭借其模块化、无人化、小型化、智能化等优点，受到越来越多的重视。目前世界上多个国家都在开展无人艇领域的研究，其中处于领先地位的是以色列和美国。20世纪90年代国外的无人艇研究项目大量涌现，其中具有典型代表性的是美国的“Spartan”号和以色列的“Protector”号。他们不仅在自主航行与岸基操控方面有良好的性能，同时还装备有导航雷达、摄像头、GPS等外设，具有极强的应用价值，可以自主完成多项不同的水面任务。较之国外，国内的无人水面艇研究起步较晚，而且国内的无人艇研究多数都停留在遥控或者比较单一的自主航行阶段，关键技术和有效的智能控制方法比较欠缺。因此，无人水面艇智能化方面的前瞻性研究和探索已是当务之急。无人水面艇的自主路径跟踪是实现无人艇智能化的关键技术，直线路径跟踪又是无人艇自主路径跟踪的基础。

在上海市科委的资助下，近年来上海海事大学航运技术与控制工程交通行业重点实验室研制出了一种可实现自主路径跟踪的无人水面艇平台。在此实验平台的基础上，文献[1]提出一种PID控制方法实现该无人艇在无风浪环境下的直线路径跟踪，但PID控制器在无人艇初始航向角和跟踪路径倾斜角偏差较大时会出现大迂回现象。专利[2]使用模糊PID控制方法实现直线路径跟踪，解决了文献[1]中出现的大迂回现象。

现有无人水面艇直线路径跟踪方法虽然多数可以实现一定效果的自主路径跟踪，但大多数都将使用范围限制在了理想或者无风浪影响的环境下，而在无人艇的实际航行中，难免会遇到风浪的水面环境，在此种环境中，以上方法都使无人艇的路径跟踪或多或少的失去其预期的性能。

[发明内容]

本发明的目的在于克服上述问题，提供一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法。在充分考虑水面风速的情况下，使USV可抵抗恒定横风实现直线路径跟踪，并通过对控制系统关键的修正、优化，使跟踪误差保持在精度范围内。

本发明所述抵基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法针对不同船长比对路径跟踪的不同影响，结合模糊控制，提出了可变船长比的直线路径跟踪方法，以距离偏差和距离偏差的变化率作为模糊控制器的输入，以船长比作为模糊控制器的输出，动态的调整船长比，进而调整航向角来调节基于LOS(Line-of-Sight)原理跟踪期望航向角α_φ的PD控制器的输入输出参数，控制无人艇左右两侧电机的电压，实现在水面横风的环境下，无人水面艇的直线路径跟踪。并通过一种航向修正与误差补偿办法，减小横风环境下路径跟踪的静态误差，提高干扰环境中无人艇直线路径跟踪的效果。

本发明所述基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法是基于LOS(Line-of-Sight)控制方法实现的，通过在直线路径上选取合适的虚拟导航点，引导无人水面艇跟踪此虚拟导航点，最终使无人水面艇沿着直线路径航行；选取的虚拟导航点与无人水面艇在直线路径上的投影点之间有一定的距离，此距离一般称为无人水面艇的可视距离，是基于船体长度的，可视距离与船长的比值是船长比；无人水面艇与虚拟导航点的连线相对于直线路径方位具有一定的方向，将其看作期望航向，期望航向包含直线路径方位，虚拟导航点的方向以及无人水面艇漂角等信息。无人水面艇通过调整左右侧电压，使得无人水面艇跟踪此期望航向，以达到跟踪直线路径的目的。

为了实现本发明基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，第一步建立控制对象：