[发明专利]一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法

权利要求书

1.一种抗浪节能的无人艇路径跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

一、设置无人艇的起点和终点，并计算无人艇的导航角；假设无人艇当前位置为G(X,Y)，终点是一个以R(X_R,Y_R)为圆心，R为半径，方向为顺时针的圆形轨迹；P′为无人水面艇所处位置G与圆心R的连线与圆周的交点；l_c为过圆周上点P′的切线；根据圆形可视距离LOS导引律可以计算出导航角φ_los：

其中，为无人艇当前位置与终点的距离；φ_GR为无人艇当前位置和终点的连线与Y方向的夹角；Δ为导航点P_los和切点P′的距离；Δh为无人艇当前位置和切点P′的距离；β为漂角；φ_usv为无人艇艏向角；

二、利用无人艇搭载的视觉检测功能，根据水面波浪环境具有不同的纹理特性，基于波浪图像的傅里叶变换，通过对不同等级、不同光照条件下波浪图像的频率特性分析，建立一种根据不同矩形环之间能量比的关系来检测波浪浪高和遭遇角；其具体步骤为：

1、对采集的彩色图像进行直方图均衡化，以增强图像特征，然后转换为灰度图像；

2、对步骤1中的灰度图像进行傅里叶变换，离散的傅里叶变换定义为：

其中，f(x,y)是图像的灰度值，x、y为空间域中图像的横、纵坐标轴；F(u,v)是两个实频率变量u和v的复值函数，频率u对应于x轴，频率v对应于y轴，u＝0,1,…,M-1；v＝0,1,…,N-1；傅里叶变换的振幅谱、相位谱和能量谱分别为：

P(u,v)＝|F(u,v)|²＝R²(u,v)+I²(u,v)

其中，R(u,v)，I(u,v)分别表示F(u,v)的实部和虚部；傅里叶变换提取图像特征的常用方法是周向谱能量法，周向谱能量的计算公式为：

其中，P(r,θ)是P(u,v)的极坐标表示形式，θ＝arctg(v/u)；即在功率谱中计算以图像形心为中心的一系列同心圆环内能量的和的值，这种算法得到的傅里叶周向频率分布图并不能完全反映图像的频率特性，而与图像相近的一系列逐渐变大矩形环内的功率谱能量则可以真正反映出图像的频率特性；

3、把步骤2得到的图像功率谱分成I个等宽度的矩形环，能量比分为I级，用Pei表示第i个矩形环内的能量与总能量之比；设图像大小为M×N，图像中心为(M/2，N/2)，则每个矩形环内能量比可以表示为：

式中表示第i个矩形环内能量，u，v取值范围分别为：

其中，m表示u方向的渐变幅度，n表示v方向的渐变幅度，m，n最大值分别为M、N；

4、由步骤3得到的特征量来检测水面的波浪等级；

三、以步骤二检测到的浪高和遭遇角作为模糊推理模块输入，建立浪高、遭遇角与控制器结构参数的关系；

波浪观测模块的输出浪高H的基本论域为(0,0.2,0.4,0.6)，其模糊子集为{Z，PS，PM，PB}；

波浪观测模块的输出遭遇角为ψ，由于顺浪、逆浪时遭遇角对称相等，可将遭遇角转化为同侧并定义遭遇角的论域，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

模糊推理模块输出k_p论域为(0.3，2，4，6，8，10，12)，模糊子集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；

模糊推理模块输出k_d论域为(0.1，1.65，3.3，4.95，6.31，7.96，12)；

模糊推理模块基于以下表1、表2获得k_p、k_d模糊输出，经过去模糊化处理得到k_p、k_d的精确值；

表1 Kp模糊推理规则

表2 Kd模糊推理规则

四、系统根据步骤三的输出动态调节PD控制器的参数，并通过计算得到无人艇的左侧推进电机的输入电压U_l和右侧推进电机的输入电压U_r，其U_l和U_r的计算方法为：

其中，k_p、k_d为模糊推理模块计算得到的值，ω为波浪的圆频率，U＝12V；

五、运用步骤四得到的无人艇左右推进电机的电压，推动无人艇前进。