[发明专利]一种海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法

权利要求书

1.一种海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法，其特征在于，具体包括：

Ⅰ.建立海流环境模型：

建立二维笛卡尔坐标系(x，y)下离散栅格空间，△x、△y分别为x、y轴方向栅格的大小，栅格中任一点q定义为式(1)

q＝q(i，j)，0≦i<m,0≦j<n (1)

其中，m，n分别为x，y轴方向的最大栅格数；

将二维平面空间进行栅格化，单元栅格内的海水可视为海流状态相同，海流的速度场是一个向量场，Vc＝(u(x,y),v(x,y))，海流速度场定义为式(2)：

u(x,y)＝sin(pi/50*x)；

v(x,y)＝0.3*pi*sin(pi/20*y)sin(pi/50*x)； (2)

其中u(x,y)，v(x,y)分别为x轴方向和y轴方向的速度分量，(x,y)为无人巡检船所在位置，取做每个栅格的中心点；

Ⅱ.建立无人巡检船运动数学模型：

基于前进速度u、横移速度v和转首角速度r三项主要运动变量，建立如式(3)的平面内三自由度无人巡检船运动数学模型，

在航迹控制过程中，忽略漂角，即有u＞＞0，v≈0,前进的合速度船舶运动数学模型为式(4)：

Ⅲ.基于LOS导航算法，计算无人巡检船的直线航迹：

①求解LOS角

LOS角为LOS矢量与X轴的夹角，方向由X轴指向LOS矢量，LOS矢量是指从无人巡检船当前位置指向期望到达的位置的矢量，假设无人巡检船当前位置为P(x,y)，期望位置为P_k+1(x_k+1,y_k+1)，并假设P_k+1和P_k可以进行测量，则“LOS角”通过式(5)计算得到：

②求解LOS的位置

以P(x,y)为圆心，以nl为半径的圆与预设路径有两个交点，其中距离(x_k,y_k)较远的交点为P_los(x_los,y_los)，

(x_los-x)²+(y_los-y)²＝(nl)² (7)

其中，l为船身长度；

当无人巡检船根据采集路线的规划，进入期望航向点一定范围时，则放弃当前跟踪该期望航向点，而转入跟踪下一个期望航向点，即令k＝k+1，根据当前船舶位置(x,y)是否在以当前路径点(x_k,y_k)为圆心、半径为r的圆内为依据，即是否满足表达式(7)，来确定(x_k+1,y_k+1)能否作为下一个路径点，具体如式(8)，

(x_k-x)²+(y_k-y)²≤r² (8)

其中，r＝2l，在对LOS位置进行计算时切换到下一个期望航向点的数据进行计算，以实现航迹连续跟踪；

③对LOS直线航迹进行跟踪分析

期望航向点P_los(x_los,y_los)与无人巡检船当前位置在期望航迹上的投影点相距Δ＝nl，n＝2～5，Δ为无人巡检船的可视距离，此时，LOS控制算法表示为式(9)：

其中，α为X轴方向与期望航迹线P_kP_k+1的夹角，即设定的期望航向角，d为无人巡检船的横向跟随误差；

Ⅳ.基于LOS算法设计PID控制器：

PID控制器的控制规律如式(10)：

由于舵角δ与当前航向角ψ成比例变化而航向角偏差为式(11)：

ψ_d＝ψ-ψ_los (11)

由式(10)、(11)得出，如果某一时刻，系统存在一个较大的ψ_d，经PID控制便会产生一个舵角，该舵角会控制无人巡检船偏向期望航向点航行，此时无人巡检船的当前航向角就趋近于无人巡检船期望航向角，ψ_d减小，通过不断控制，只要ψ_d存在，便会出现一个控制舵角使ψ_d减小，直到ψ_d趋于零，即无人巡检船达到期望航迹线；

Ⅴ.对无人巡检船进行无外部干扰和有海流影响两种情况进行仿真和分析。