[发明专利]一种自动规避多障碍物的无人船路径跟踪系统

说明书

本发明公开了一种自动规避多障碍物的无人船路径跟踪系统，包括，避碰控制模块和路径跟踪模块，避碰控制模块用于根据无人船和环境障碍物的位置和角度计算避碰控制角速度；路径跟踪模块包括LOS制导单元、非线性微分控制器单元Ⅱ、观测器单元以及动力学控制器单元，其根据避碰控制角速度计算无人船的纵向方向的控制力矩和艏摇方向的控制力矩进而控制无人船运动。本发明公开的系统实现了根据地球坐标系下无人船的位置坐标和艏摇角信息、环境障碍物的位置坐标，在实现路径跟踪的同时避开环境障碍物，实现无碰撞风险的无人船路径跟踪，具有系统更为方便简洁、能够适用多个障碍物的复杂海洋环境以及节省了成本等优点。

技术领域

本发明涉及多无人船控制技术领域，尤其是一种自动规避多障碍物的无人船路径跟踪系统。

背景技术

无人船路径跟踪在近海巡逻、海洋探测、远洋搜救等领域具有重要的应用价值，因而得到了研究学者的广泛关注。针对无人船路径跟踪控制问题，国内外学者已经提出很多控制方法，如比例积分控制、滑模控制、模糊预测控制、神经网络控制等。此外无人船工作在复杂的海洋环境中时，周围环境不仅存在已知的障碍物，可能也存在诸如礁石、移动浮标、航行路线上驶过的船只等未知的障碍物，这些都可能造成无人船执行任务的失败甚至威胁无人船的安全。这时就需要将路径规划和反应式避碰有机结合，因此，如何研究一种能够实时避障的无人船路径跟踪方法十分重要。

无人船避障包含“碰撞检测”和“碰撞解决”两个基本过程，基于这两个过程，国内外学者做了大量的研究工作，并提出了许多避障避碰方法。Venanzio Cichella等人提出基于视线角度的避碰方法，但是该方法仅引入了视线角度(LOS)来完成“碰撞解决”过程，没有考虑“碰撞检测”问题。Thiago Marinho等人提出了基于视线角度(LOS)和碰撞时间(TTC)的避碰方法，该方法虽然不依赖于移动障碍物位置信息，但是该方法需要采用专业设备获取视线角度(LOS)和碰撞时间(TTC)，大大增加了运营成本。Soltan等人提出了基于有限循环(LCM)的避碰方法，其缺点是仅适用于静态障碍物。Wiig等人提出了视觉锥方法来处理速度恒定的运动障碍物，其缺点是不能用于多障碍物场景。

因此亟需一种无人船路径跟踪系统以解决上述问题。

发明内容

本发明提出了一种自动规避多障碍物的无人船路径跟踪系统，可以解决无人船无法有效地与移动障碍物进行避让的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种自动规避多障碍物的无人船路径跟踪系统，包括，

避碰控制模块，用于获取无人船在大地坐标系下的x轴位置x、y轴位置y和艏摇角ψ以及第i个环境障碍物在地球坐标系下的x轴位置x_ic、y轴位置y_ic以计算避碰控制角速度r_c；

LOS制导单元，用于获取所述避碰控制角速度r_c、无人船的纵向速度估计值和横漂速度估计值以及无人船在大地坐标系下的x轴位置x、y轴位置y和艏摇角ψ以计算前向速度给定值α_u和艏摇角速度给定值α_r；

非线性微分控制器单元Ⅱ，用于获取所述前向速度给定值α_u和艏摇角速度给定值α_r以计算前向速度给定值α_u的估计值u_f、前向速度给定值的导数的估计值艏摇角速度给定值α_r的估计值r_f以及艏摇角速度给定值的导数的估计值

观测器单元，用于获取无人船在大地坐标系下的x轴位置x、y轴位置y和艏摇角ψ、无人船的纵向方向的控制力矩τ_u和艏摇方向的控制力矩τ_r以计算无人船的纵向速度估计值横漂速度估计值艏摇角速度估计值纵向扰动估计值以及艏摇方向扰动估计值以及，