[发明专利]一种水面无人艇路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，通过当前无人艇运动的状态信息、位置坐标信息，进行路径点的离散并根据点更新机制进行目标点的更新；通过状态信息进行航向规划，计算当前目标点的视线角视线余角横侧偏差S_E、视线补偿量并求得当前航向误差根据航向规划信息，进行航向控制，计算控制器输出力矩N_p，根据规划航速和海况估算推进器推力X_p；对输出推力X_p、输出力矩N_p进行推力分配，求得各推进器的执行信号，并控制推进器执行指令动作。本发明使得无人艇可以跟踪曲线路径，保证了路径跟踪的快速性以及稳定性，在风浪存在的条件下大大避免了侧漂的发生，实现了对航速较为准确的控制，对于无人艇的路径跟踪控制有重要的作用。

技术领域

本发明属于水面无人艇领域，具体涉及一种水面无人艇路径跟踪控制方法。

背景技术

水面无人艇(USV)又称为水面机器人，是一种需要极少人为干预甚至无需人为干预即可按照指令执行任务的任务平台，可用于执行扫雷、侦查、作战、观测等许多水面任务。路径跟踪能力为水面无人艇实现自主功能应所具备的最基本的能力之一，为使无人艇自主航行的基本保证。

现阶段，无人艇的路径跟踪技术发展仍不够成熟，绝大多数的无人艇路径跟踪算法仍停留在理论研究以及仿真阶段，极少有应用于实际无人艇的路径跟踪方法发布。对于仿真环境中存在着的大量细节简化以及对环境干扰处理的理想化，实际的水面环境往往极为复杂，各种水动力往往也是非线性的，环境干扰力也有较大的随机性，以目前的仿真技术很难对实际环境作用进行准确的计算，因此也导致了大多数的在仿真环境下取的完美结果的路径跟踪方法在实艇应用中出现响应慢、鲁棒性差等一系列的问题。同时为实现无人艇航速的精确感知，所需要的传感器往往较为昂贵，因此，对于大多数无人艇而言，由于感知精确速度的传感器较为昂贵，其航速一般是由通过卫星定位所得到的近似的和速度而并非准确的分速度，因此也导致对航速的精确控制也较为困难，且若使用该速度作为无人艇航速控制的输入，在风浪存在的条件下往往会导致很大的侧漂，增加了路径跟踪误差，当风浪较大时，会使得无人艇无法对路径进行跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，使无人艇实现对路径的高精度跟踪以及在考虑到风浪以及自身速度感知存在较大误差的情况下实现对航速的控制，使得USV在对航速感知存在较大误差且有环境干扰的情况下对规划航速进行修正，使路径跟踪误差以及航速跟踪误差保持在可允许的范围内。

本发明的目的是这样实现的：

一种水面无人艇路径跟踪控制方法，具体的实现步骤为：

步骤1.通过仪器接收当前无人艇运动的状态信息以及位置坐标信息，并进行转化处理；

步骤2.进行路径点的离散并根据点更新机制进行目标点的更新；

步骤3.通过状态信息进行航向规划，在航向规划模块中，计算当前目标点的视线角视线余角横侧偏差S_E、视线补偿量并求得当前航向误差

步骤4.根据航向规划信息，进行航向控制，计算控制器输出力矩N_p，根据规划航速和海况估算推进器推力X_p；

步骤5.对输出推力X_p、输出力矩N_p进行推力分配，求得各推进器的执行信号，并控制推进器执行指令动作。

所述步骤1的具体内容为：下位机通过串口接收相关传感器传递的感知信息，对接收到的信息通过相应的通讯协议进行解码，得到无人艇当前的经纬度坐标、航速、艏向角、风速、流速，将无人艇的经纬度坐标(S_lat,S_lon)转化为NED坐标系下的坐标点(N_s,E_s)。

所述步骤2的具体步骤为：