[发明专利]一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法

权利要求书

1.一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据无人艇作业任务预先规划出航行路径点，然后以此连接各路径点形成所要跟踪的路径；

步骤二：根据步骤一所要跟踪的路径点信息和无人艇的实时坐标，用基于自适应半径的视线法解算出视线角，然后根据航向偏差和偏航距离对解出的视线角进行角度补偿，以使无人艇获得最佳期望航向角；

步骤三：设计基于跟踪误差的航向模糊控制器：

(1)对航向误差和误差变化率进行模糊化处理；

(2)对模糊化的变量建立模糊控制规则库；

(3)在控制器的设计中，and运算用求交法，also运算用求并法，合成运算用最大-最小法，模糊蕴含用求交法；

(4)对输出的模糊航向精确化处理，解模糊运算采用加权平均法；

步骤四：设计航速解算器和基于积分S面的航速控制器：

(1)根据无人艇实际航向角与所跟踪的路径方位角的偏差和相距前后两路径点的距离；解算出最佳期望航速传给速度控制环节；

(2)融合模糊控制与PD控制的思想设计积分S面航速控制器；

步骤五：将步骤三和步骤四设计的航向和航速控制器输出的控制力矩和力分别与指令舵角和推进器电压进行映射，驱动无人艇达到期望航向和航速，进而完成对期望路径的跟踪；

所述的步骤一具体如下：提取每个直线路径单元上的实时参考路径点：

式中，(x_r,y_r)为实时参考路径点坐标，(x_j,y_j),j＝1,2,…j…n为预定的第j个航迹点坐标，(x,y)为无人艇实时位置，α_j-1为连接航迹点(x_j-1,y_j-1)与(x_j,y_j)的路径方位角，R为Line-of-Sight圆半径，其计算方式如下：

式中，R_min是LOS的最小内切圆半径，δ是过渡层的厚度，k₁是可调系数，当偏航距离|y_e|＞R_min+δ时，无人艇以当前最小前视距离收敛至期望路径，当偏航距离|y_e|≤R_min-δ时，无人艇以最小内切圆半径R_min趋向于期望路径，而当R_min-δ＜|y_e|≤R_min+δ时，LOS半径能够在[R_min,R_min+δ]之间光滑过渡。

2.根据权利要求1所述的一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法，其特征在于：所述的步骤二具体如下：

视线角计算公式为：

ψ_LOS＝arctan[(y_r-y)/(x_r-x)]

式中，ψ_LOS是无人艇的视线角，(x,y)是无人艇实际位置坐标，(x_r,y_r)是为实时参考路径点坐标；

基于航向偏差的补偿器设计：

式中，Δψ是航向角偏差，ψ_r是无人艇的实际航向角，k_p是无人艇实际航行中的最大转向舵角，k₂是补偿器的可调系数；ψ_H是航向补偿角；

基于路径偏差的LOS视线角补偿器：

式中，ψ_P是路径偏差补偿角，k₃是补偿器的可调系数，y_e是偏航距离。