[发明专利]一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法

说明书

本发明公开一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法，属于无人艇导航控制领域。无人艇路径跟踪控制过程中，首先由期望路径点位置和无人艇的实时位置根据提出的自适应半径视线法解得无人艇期望航向角，然后根据航向偏差和偏航距离对解出的期望角进行角度补偿，以使无人艇获得最佳期望航向角。在航向控制环节，设计了一种自适应智能模糊控制器，在航速控制环节，首先设计一种航速解算器，实时解算出最佳航行速度，然后设计一种基于积分S面控制的航速控制器。本发明所提出的路径跟踪方法，不仅能有效的解算出最佳期望角，而且也能对期望角以最佳航速进行跟踪，使无人艇逐渐收敛至期望路径，大幅度提高了无人艇的路径跟踪性能。

技术领域

本发明属于无人艇导航控制技术领域，具体涉及一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法。

背景技术

无人艇作为一种重要的海洋智能装备，在海底测绘、海洋平台和海上风力发电厂巡检、海洋环境监测和近海侦查防卫等方面发挥了重要作用，为了精确高效地完成任务，同时考虑到USV的欠驱动性和复杂多变的海洋环境对其操纵性的影响，对无人艇按预设期望路径跟踪的能力要求越来越高。

在无人艇的路径跟踪控制策略中，基于预设路径点的复合直线路径跟踪由于路径点可以提前设定，更能符合无人艇的路径跟踪工程应用需求。现有的路径跟踪控制方法大多基于Line-of-Sight(LOS)进行制导律设计，但由于LOS圆半径为定值，当偏航距离较大时容易导致收敛时间过长，同时，一般将无人艇的跟踪航速设为定值，增大了跟踪的时间，另外，由于无人艇的精确水动力系数往往难以获得，基于数学模型的控制方法具有较大局限性。

发明内容

本发明提供了一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法，目的在于提高无人艇按预设期望路径跟踪的能力。该控制方法首先充分考虑路径跟踪过程中偏航距离与制导律性能的关系，通过定义一个与偏航距离相关的LOS圆半径，然后再根据偏航距离和航向偏差对视线角进行补偿，使无人艇能够更快地收敛到期望路径；为了提高跟踪效率，设计了航速解算器，可实时解算出无人艇的最佳期望速度；针对无人艇的欠驱动性和模型不确定性，设计了模糊航向控制器和积分S面航速控制器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

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期望航向角，然后根据航向偏差和偏航距离对解出的期望角进行角度补偿，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。

本发明还包括：

步骤一所述的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具体如下：提取每个直线路径单元上的实时参考路径点：