[发明专利]一种水面无人艇路径跟踪控制方法

权利要求书

1.一种水面无人艇路径跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定期望跟踪路径，将期望跟踪路径离散化形成期望路径点阵；

2)判断无人艇距离期望路径点阵的起始点的距离，若距离大于L，则无人艇朝向起始点行驶，直至距离小于L；其中，L为无人艇与参考点的设定距离；所述参考点为期望路径点阵中的点；

3)根据设计参数L和无人艇位置确定参考点的位置，根据路径曲率信息求得参考点处的曲率F，然后根据制导算法公式求得加速度Acc：

其中，V为无人艇的航向与航速的矢量，D为无人艇距离期望路径的径向距离，α为无人艇航向与无人艇和参考点连线之间的夹角，F表示参考点处的曲率值，n、m为设计常数，根据仿真或实测数据进行参数优化后确定；

4)计算由加速度引起的在Δt时间内航向角改变量Δψ为:

5)根据航向角改变量Δψ和当前无人艇航向角计算得到期望航向角，将其作为无人艇航向控制器的输入；

6)由期望航向和无人艇实际航向得到的航向偏差信息，计算得到当前时刻无人艇的舵角输出值，将其发送给底层执行机构，实现路径跟踪；

7)进入下一个控制周期，转入步骤3)开始不断重复上述流程，直至无人艇距离期望路径终点小于L，最终完成对期望路径的跟踪。

2.根据权利要求1所述的水面无人艇路径跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤6)中当前时刻无人艇的舵角输出值获取方式如下：

6.1)建立考虑环境干扰的CARIMA无人艇航向运动数学模型：

A(z^-1)ψ(t)＝z^-dB(z^-1)Δδ(t)+C(z^-1)ξ(t)

其中，ψ为航向角，δ为舵角，C(z^-1)ξ(t)为环境扰动和测量误差的有色噪声，d为系统时延，Δ＝1-z^-1为差分算子；

6.2)根据CARIMA无人艇航向运动模型递推得到未来N时刻的预测航向输出：

Y＝Y_m+GΔU；

上式中，Y为预测航向输出，Y_m为历史航向数据，ΔU为未来舵角输入，N为预测时刻，G为控制矩阵，k为当前时刻；

6.3)计算舵角最优输出值；

设置如下性能指标函数进行优化求解：

J＝E{(Y-Y_r)^T(Y-Y_r)+ΔU^TΓΔU}

Y_r为期望输出序列值，使得闭环响应沿着一条指定的、平滑的曲线到达设定值。通过极小化目标函数，计算得到本时刻无人艇的舵角最优输出值：

δ(k)＝δ(k-1)+Δδ(k)

＝δ(k-1)+H(G^TG+Γ)^-1G^T(Y_r-Y_m)

其中：

H＝[1,0,…,0]

6.4)执行机构接收舵角输出信号，控制舵机实现无人艇的转向。

3.根据权利要求2所述的水面无人艇路径跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤6)中还包括利用无人艇的历史舵角、航向信息，采用带遗忘因子的递推增广最小二乘法对CARIMA无人艇航向运动模型进行在线辨识，反馈校正的步骤，计算公式为：

式中：

其中，K(t)为权因子，P(t)为正定协方差，λ为遗忘因子。