[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，该方法包括以下步骤：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；3)根据设计参数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，然后根据制导算法公式求得加速度：4)计算由加速度引起的在Δt时间内航向角改变量；5)根据航向角改变量和当前无人艇航向角计算得到期望航向角；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。本发明方法不依赖于无人艇精确数学模型，可跟踪任意类型路径。

技术领域

本发明涉及无人艇路径跟踪控制技术，尤其涉及一种水面无人艇路径跟踪控制方法。

背景技术

水面无人艇作为一种自动化、智能化作战任务平台，可执行战略打击、扫雷侦查、海洋数据采集等多种任务。随着任务的大型化、复杂化程度加深，对无人艇的自主控制能力要求也越来越高，而路径跟踪能力作为衡量水面无人艇自主控制能力的关键指标之一，对其精度要求也越来越高。

目前国内外研究人员提出了不少水面无人艇路径跟踪控制方法，在外环制导方面，由于水面无人艇的欠驱动特性，现有方法大多采用基于LOS的制导算法，尽管有学者提出了ILOS、可变视距LOS等改进的LOS算法来提升跟踪精度，但由于LOS算法是一种直线制导算法，对曲线路径的跟踪精度较低，同时在折线路径转折处，若角度变化剧烈，无人艇由于具有大惯性、大时滞的特性，会造成较大精度损失，且有可能引起内环艏向控制器的超调。在内环控制方面，分为基于模型的控制与无模型控制两大类，基于模型的控制尽管理论上控制精度高，但需要知道精确的水动力参数，而该参数需要进行大量实验才能得到，尤其是目前我国运用于实际工程的无人艇均为中小型艇，在实际任务场景下更容易由于遭受风、浪、流的干扰造成无人艇的模型失配。无模型控制方法以PID控制为典型代表，从目前实际工程运用情况来看，基于PID的艏向控制是有效的，但PID本身并不适合控制大惯性、大时滞的对象，因此控制精度难以进一步提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种水面无人艇路径跟踪控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种水面无人艇路径跟踪控制方法，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，从而尽可能地提升控制精度；

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。

按上述方案，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：