[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

说明书

本发明公开了一种海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法，具体涉及海水养殖监测技术领域。该海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法在考虑海流的影响下，针对海水养殖工厂化、生态化发展需求，将LOS导航算法与PID控制相结合，解决无人巡检船的直线航迹跟踪问题。LOS算法用于无人巡检船的航向控制，再通过PID控制算法完成航迹跟踪，从而使无人船驶向采集点完成水质数据采集，通过MATLAB对其进行仿真研究，仿真结果表明，该方法具有良好的控制效果。

技术领域

本发明涉及海水养殖监测技术领域，具体涉及一种海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法。

背景技术

随着生活水平的逐步提高，海水养殖面临巨大的发展市场，行业将迎来新的发展契机。海水养殖生产模式紧随智能化技术的发展，正逐渐从传统的粗放型向现代的集约化过渡。海水养殖对水域环境要求较高，水质监测是工厂化、生态健康化养殖中的一个重要技术环节，逐渐的由人工采样、实验室分析的手段，向在线实时监测发展。近年来，我国无人船艇技术快速发展，采用无人船作为海水养殖监测搭载平台，装载多种监测传感器以及定位、导航与控制设备，以单点移动式测量代替多点分布式测量，可实现海水养殖场内的连续巡航监测。

为了科学有效监测海水养殖场环境参数，无人船要求不定时巡测养殖场内不固定分布点，其航迹的跟踪是一项重要研究内容。目前，国外对无人艇航迹跟踪的研究中，Grimblef采用最优控制技术和卡尔曼滤波器设计出了一种控制方法；Godhavn使用连续时不变状态反馈控制方法，设计出了全局指数镇定控制器；DO等基于重定义输出方法和反步法，提出了一种全局k指数稳定的船舶直线航迹的状态和输出反馈的控制律。国内对于船舶的自主航迹跟踪研究也较多，马壮教授在改进PID控制算法的过程中，设计出了模糊PID航迹控制律；周倩等人提出了一种解决船舶航迹跟踪控制的线性滑模控制方案；李铁山等利用自适应积分反演技术、耗散理论以及输入输出线性化等方法对船舶的直线航迹跟踪控制系统设计了非线性控制器。多数项目在实际仿真时，通常用一个恒值干扰来模拟海流对船舶运动的影响，造成仿真结果与实际存在较大的偏差。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提出了一种将LOS导航算法与PID控制相结合，解决海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪问题的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法。

本发明具体采用如下技术方案：

一种海流影响下的无人巡检船直线航迹跟踪实现方法，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，