[发明专利]一种吊舱式无人艇航向控制方法

说明书

本发明公开了一种吊舱式无人艇航向控制方法，包括以下步骤：S1、对吊舱式无人艇进行受力分析，根据吊舱转向角转向特性，建立吊舱式无人艇的船舶运动数学模型；S2、根据所述船舶运动数学模型，建立吊舱式无人艇航向运动数学模型；S3、根据所述航向运动数学模型，采用等效迭代滑模算法对无人艇的航向角进行控制；S4、通过PWM计算得出下一转向角指令，根据所述的转向角指令控制无人艇下一步的航行运动。本发明的控制方法可大幅度减少时延性问题，控制方式简单，效率高，并且提高无人艇航向控制精度，能够满足内河复杂水域通航条件下无人艇对航向偏差控制的要求。

技术领域

本发明涉及船舶航向控制技术领域，尤其是涉及一种吊舱式无人艇航向控制方法。

背景技术

无人艇控制系统作为一种典型的欠驱动系统，在复杂水域中除了船体本身因素影响，其控制系统存在非线性、不稳定性，甚至存在不可预测的强外部干扰等问题，将导致大角度偏航以及航行轨迹异常或失控等现象，需要对其相关控制进行针对性研究。另外，采用吊舱式推进的无人艇对比传统的螺旋桨推进的无人艇，其机动性较好、推进效率较高，可减少无方向舵装置，节省船舶空间，增加船舶建造的灵活性。所以十分有必要设计一个灵活高效且适合内河水域中无人艇航向保持控制器，实现吊舱式无人艇自主航行的稳定性及高效性。

现有的技术是使用PID控制，该控制方法具有局限性，其被控对象输出与控制输出的函数映射有关，对于线性时不变系统很受限制，PID控制需考虑执行环节的动态，防止过饱和，甚至存在时延性。对于内河水域环境，PID控制要增加监测环节，则效率低、优化周期长等问题，无法达到实时跟进航向偏差的目标。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种吊舱式无人艇航向控制方法，可大幅度减少时延性问题，控制方式简单，效率高，并且提高无人艇航向控制精度，能够满足内河复杂水域通航条件下无人艇对航向偏差控制的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种吊舱式无人艇航向控制方法，包括以下步骤：

S1、对吊舱式无人艇进行受力分析，根据吊舱转向角转向特性，建立吊舱式无人艇的船舶运动数学模型；

S2、根据所述船舶运动数学模型，建立吊舱式无人艇航向运动数学模型；

S3、根据所述航向运动数学模型，采用等效迭代滑模算法对无人艇的航向角进行控制；

S4、通过PWM计算得出下一转向角指令，根据所述的转向角指令控制无人艇下一步的航行运动。

优选的，在步骤S1中，对吊舱式无人艇的前进、横漂和艏摇三自由度平面运动进行受力分析，根据吊舱转向角转向特性，获得吊舱式无人艇沿x轴、y轴和z轴所产生的力和力矩；将获得的吊舱式无人艇产生的力和力矩结合MMG船舶分离型数学模型公式，建立所述吊舱式无人艇的船舶运动数学模型。

优选的，所述步骤S1包括以下子步骤：

子步骤S101、建立三种坐标系：惯性坐标系、水平附体坐标系和附体坐标系，以对无人艇进行受力分析；

子步骤S102、在所述的附体坐标系中，规定沿x轴方向为前进速度u，沿y轴方向为横移速度v和绕z轴转动的艏摇角速度r，具体如表1所示，则各轴的合外力和合力矩与各个部分力和力矩的关系如公式(1)所示：

其中下标H表示船舶所受到的粘性流体动力及力矩；下标P表示螺旋桨所受到的推力及转矩；下标R表示船舶所受到的舵力及力矩，wave和wind表示波浪和风的阻力；

表1三自由度无人艇运动状态