CN108958252A - 一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法 - Google Patents

一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，通过电磁罗经获取动力浮标的实时航行信息，根据实时航行信息判断动力浮标的位置，若未到达规划航迹点，则运行基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制，若到达规划航迹点并且未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制，到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。本发明能有效控制动力浮标的航行轨迹，提高航行的安全性；利用动力浮标的航迹偏差距离计算目标航向，计算方法更加简单，在动力浮标逼近规划航迹线时，对方向舵的控制更加平缓，有利于延长舵机的使用寿命；在航迹段切换时，减小了航迹控制过程中的外漂距离。

Description

一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法
技术领域
本发明属于船舶航迹控制技术领域，具体涉及一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法。
背景技术
动力浮标是一种不需要锚泊固定、可以实现自主移动和定点停留的浮标。因此动力浮标与系泊式浮标相比拥有较为复杂的控制电路，能够实时水面监控站的控制指令并按照指令执行机动任务。动力浮标采用锂电池供电，每次执行任务时所携带的动力能源有限。航迹控制技术作为实现动力浮标智能化的核心技术，在相同的航行条件下，可以减小航向偏差，缩短航行时间和航行距离，提高工作效率，减小不必要的能量损耗，能够对动力浮标的航行轨迹进行精准科学的控制，大大提高动力浮标航行的安全性，延长动力浮标的工作时长。
哈尔滨工程大学徐健等在申请号为201710129802.6的专利中给出了一种动力浮标的自守位控制方法，并对该方法进行了详细阐述，但该方法不适用于动力浮标的航迹控制，当动力浮标进行长距离机动时，效率较低。
经典的导弹制导方法有LOS制导方法(Line-of-Sight)，又称“视线”制导方法。文献《P ath following of underactuated marine surface vessels using line-of-sight based model predic tive control》中将LOS制导方法应用于船舶航迹保持控制领域中来。该文应用LOS方法实现船舶的航迹保持，首先该方法在航路段上假定出一个追踪的目标，然后沿着船舶和假定出的追踪目标的连线方向中两个相邻的航路点，船舶沿着两个相邻航路点确定的计划航线航行。追踪目标与船舶中心的连线即“视线”，此“视线”与水平坐标的夹角就是船舶期望航向，船舶按此期望航向航行就能实现轨迹跟踪控制。但该方法控制器的复杂度较高，对于舵机损耗较大。
本发明设计了一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，提高了动力浮标的控制精度和控制效率。以LOS方法的控制思想为基础设计动力浮标的航迹控制器，采用间接航迹跟踪控制器中的航向控制与航迹控制相互分离，航向控制器则使用PID控制方法实现。为进一步简化航迹控制器的复杂度，将航速控制从航迹控制器中分离出去，对航速单独做闭环控制，控制方法使用PID控制方法。该方法通过利用动力浮标航行过程中的航迹偏差距离计算目标航向的方法，使得动力浮标的航迹控制精度更高。可控制动力浮标跟踪设定的直线航迹段，且舵角变化平缓，有利于延长舵机的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，具体的实现步骤如下：
步骤1.电磁罗经获取动力浮标的实时航行信息，电磁罗经安装在动力浮标上，且动力浮标在已设定航迹点的路径上沿某一直线航迹段航行；
步骤2.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，未到达规划航迹点，运行基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制；
步骤3.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，到达规划航迹点并且未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制；
步骤4.重复步骤2～步骤3直至到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1.取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；设Dk(xk,yk)、Dk+1(xk+1,yk+1)分别代表两个相邻的规划航迹点，动力浮标沿规划航迹点Dk、Dk+1之间的连线航行；设B(ti)代表ti时刻动力浮标的位置，坐标为(xi,yi)；此时动力浮标的航向为ψB(ti)；
步骤2.2.得到规划航迹线DkDk+1的角度动力浮标到规划航迹点 Dk+1的距离动力浮标到规划航迹点Dk+1的期望航向角计算出动力浮标到规划航迹线DkDk+1的航迹偏差距离 d(ti)＝dD(ti)*sin(β)，其中，β＝ψdd+ψbd；
步骤2.3.根据航迹偏差距离计算出目标航向增量，根据动力浮标与规划航迹段的相对位置计算出目标航向；
步骤2.4.根据计算的目标航向和采集的航向信息，按照PID控制方法对航向进行控制；
步骤2.5.若未到达当前目标航迹点，循环执行步骤2；若到达当前规划航迹点，执行步骤3。
步骤3所述的提前转向距离为
其中Rd(k+1)为提前转向距离，ψd为相邻航迹段的夹角，α为常系数，Rb为当舵角为δb时动力浮标的回转半径，ψdmin、ψdmax分别为相邻航迹段的夹角的最小限定值和最大限定值。
步骤2.3所述的目标航向增量为
步骤2.3所述的目标航向为
其中，m、n为常系数，dmin，dmax为选定的航迹偏差距离临界值，ψ1＝mdmin 2，ψmax＝n(|dmax|-dmin)+ψ1；
本发明的有益效果在于：与只对航向控制的方式相比，本发明能有效控制动力浮标的航行轨迹，提高航行的安全性；与传统的LOS航迹引导方法相比，本发明利用动力浮标的航迹偏差距离计算目标航向，计算方法更加简单，在动力浮标逼近规划航迹线时，对方向舵的控制更加平缓，有利于延长舵机的使用寿命；在航迹段切换时，减小了航迹控制过程中的外漂距离。
附图说明
图1为基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法的流程图
图2为基于虚拟目标引导距离的虚拟目标点选取原理图
图3为航迹跟踪提前转向距离计算原理图
图4为基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法的位置仿真图
图5为基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法的舵角仿真图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，具体的实现步骤如下：
步骤1.电磁罗经获取动力浮标的实时航行信息，电磁罗经安装在动力浮标上，且动力浮标在已设定航迹点的路径上沿某一直线航迹段航行；
步骤2.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，未到达规划航迹点，运行基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制；
步骤3.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，到达规划航迹点并且未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制；
步骤4.重复步骤2～步骤3直至到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。
步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1.取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；设Dk(xk,yk)、Dk+1(xk+1,yk+1)分别代表两个相邻的规划航迹点，动力浮标沿规划航迹点Dk、Dk+1之间的连线航行；设B(ti)代表ti时刻动力浮标的位置，坐标为(xi,yi)；此时动力浮标的航向为ψB(ti)；
步骤2.2.得到规划航迹线DkDk+1的角度动力浮标到规划航迹点 Dk+1的距离动力浮标到规划航迹点Dk+1的期望航向角计算出动力浮标到规划航迹线DkDk+1的航迹偏差距离 d(ti)＝dD(ti)*sin(β)，其中，β＝ψdd+ψbd；
步骤2.3.根据航迹偏差距离计算出目标航向增量，根据动力浮标与规划航迹段的相对位置计算出目标航向；
步骤2.4.根据计算的目标航向和采集的航向信息，按照PID控制方法对航向进行控制；
步骤2.5.若未到达当前目标航迹点，循环执行步骤2；若到达当前规划航迹点，执行步骤3。
步骤3所述的提前转向距离为
其中Rd(k+1)为提前转向距离，ψd为相邻航迹段的夹角，α为常系数，Rb为当舵角为δb时动力浮标的回转半径，ψdmin、ψdmax分别为相邻航迹段的夹角的最小限定值和最大限定值。
步骤2.3所述的目标航向增量为
步骤2.3所述的目标航向为
其中，m、n为常系数，dmin，dmax为选定的航迹偏差距离临界值，ψ1＝mdmin 2，ψmax＝n(|dmax|-dmin)+ψ1；
实施例2
本发明涉及船舶航迹控制技术领域，尤其涉及一种动力浮标航迹控制方法。
动力浮标是一种不需要锚泊固定、可以实现自主移动和定点停留的浮标。因此、动力浮标与系泊式浮标相比拥有较为复杂的控制电路，能够实时水面监控站的控制指令并按照指令执行机动任务。动力浮标采用锂电池供电，每次执行任务时所携带的动力能源有限。航迹控制技术作为实现动力浮标智能化的核心技术，在相同的航行条件下，可以减小航向偏差，缩短航行时间和航行距离，提高工作效率，减小不必要的能量损耗，能够对动力浮标的航行轨迹进行精准科学的控制，大大提高动力浮标航行的安全性，延长动力浮标的工作时长。
哈尔滨工程大学徐健等在申请号为201710129802.6的专利中给出了一种动力浮标的自守位控制方法，并对该方法进行了详细阐述，但该方法不适用于动力浮标的航迹控制，当动力浮标进行长距离机动时，效率较低。
经典的导弹制导方法有LOS制导方法(Line-of-Sight)，又称“视线”制导方法。文献《P ath following of underactuated marine surface vessels using line-of-sight based model predic tive control》中将LOS制导方法应用于船舶航迹保持控制领域中来。该文应用LOS方法实现船舶的航迹保持，首先该方法在航路段上假定出一个追踪的目标，然后沿着船舶和假定出的追踪目标的连线方向中两个相邻的航路点，船舶沿着两个相邻航路点确定的计划航线航行。追踪目标与船舶中心的连线即“视线”，此“视线”与水平坐标的夹角就是船舶期望航向，船舶按此期望航向航行就能实现轨迹跟踪控制。但该方法控制器的复杂度较高，对于舵机损耗较大。
本发明设计了一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，提高了动力浮标的控制精度和控制效率。以LOS方法的控制思想为基础设计动力浮标的航迹控制器，采用间接航迹跟踪控制器中的航向控制与航迹控制相互分离，航向控制器则使用PID控制方法实现。为进一步简化航迹控制器的复杂度，将航速控制从航迹控制器中分离出去，对航速单独做闭环控制，控制方法使用PID控制方法。该方法通过利用动力浮标航行过程中的航迹偏差距离计算目标航向的方法，使得动力浮标的航迹控制精度更高。可控制动力浮标跟踪设定的直线航迹段，且舵角变化平缓，有利于延长舵机的使用寿命。
本发明设计的一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法。首先，根据航迹偏差距离计算出目标航向增量。为减小目标航向在规划航迹附近的变化幅度，设定目标航向增量变化率与航迹偏差正相关。为防止航向增长过快，设定目标航向增量的最大阈值对目标航向增量进行限制。当航线偏差为0时，目标航向的变化率为0；随着航向偏差的增大，目标航向变化率线性增加，可知此时目标航向增量为航线偏差的二次函数。当目标航向变化率达到一定值后，目标航向变化率保持不变，此时目标航向增量为航线偏差的一次函数。其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：动力浮标在已设定航迹点生成的路径上沿某一直线航迹段航行时，由安装在动力浮标上的电磁罗经获得其实时航行信息；
步骤2：根据位置信息判断动力浮标若未到达规划航迹点，则运行基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制；若到达规划航迹点并且未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点开始下一规划航迹段的航迹控制。具体步骤如下：
(1)取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；设Dk(xk,yk)、Dk+1(xk+1,yk+1)分别代表两个相邻的规划航迹点，动力浮标沿规划航迹点Dk、Dk+1之间的连线航行；设 B(ti)代表ti时刻动力浮标的位置，坐标为(xi,yi)；此时动力浮标的航向为ψB(ti)；
(2)此时，可以得到规划航迹线DkDk+1的角度动力浮标到规划航迹点Dk+1的距离动力浮标到规划航迹点Dk+1的期望航向角可以计算出动力浮标到规划航迹线DkDk+1的航迹偏差距离d(ti)＝dD(ti)*sin(β)，其中，β＝ψdd+ψbd；
(3)根据航迹偏差距离计算出目标航向增量，
其中，m、n为常系数，dmin，dmax为选定的航迹偏差距离临界值，ψ1＝mdmin 2，ψmax＝n(|dmax|-dmin)+ψ1；根据动力浮标与规划航迹段的相对位置计算出目标航向
(4)根据计算的目标航向和采集的航向信息，按照PID控制方法对航向进行控制；
(5)若未到达当前目标航迹点，循环执行步骤2；若到达当前规划航迹点，执行步骤3。
步骤3：若未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算出下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制；提前转向距离
其中Rd(k+1)为提前转向距
离，ψd为相邻航迹段的夹角，α为常系数，Rb为当舵角为δb时动力浮标的回转半径，ψdmin、ψdmax分别为相邻航迹段的夹角的最小限定值和最大限定值。
步骤4：重复步骤2、3直至到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。
与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、与只对航向控制的方式相比，本发明能有效控制动力浮标的航行轨迹，提高航行的安全性；与传统的LOS航迹引导方法相比，本发明利用动力浮标的航迹偏差距离计算目标航向，计算方法更加简单，在动力浮标逼近规划航迹线时，对方向舵的控制更加平缓。
2、在航迹段切换时，结合动力浮标的控制特性，通过大量Matlab仿真实验建立一个转向距离关于转向角度的函数，减小了航迹控制过程中的外漂距离。
3、本发明比传统的LOS航迹引导方法的计算简单，可控制动力浮标跟踪设定的直线航迹段，且舵角变化平缓，有利于延长舵机的使用寿命。
下面结和附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
本发明设计了一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，方法如图1、图2和图3所示。
步骤1：动力浮标在已设定航迹点生成的路径上沿某一直线航迹段航行时，由安装在动力浮标上的电磁罗经获得其实时航行信息；
步骤2：根据位置信息判断动力浮标若未到达规划航迹点，则运行一种基于航迹偏差距离的方法来引导航迹，具体步骤如下：
(1)取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；设Dk(xk,yk)、Dk+1(xk+1,yk+1)分别代表两个相邻的规划航迹点，动力浮标沿规划航迹点Dk、Dk+1之间的连线航行；设 B(ti)代表ti时刻动力浮标的位置，坐标为(xi,yi)；此时动力浮标的航向为ψB(ti)；
(2)此时，可以得到规划航迹线DkDk+1的角度动力浮标到规划航迹点Dk+1的距离动力浮标到规划航迹点Dk+1的期望航向角可以计算出动力浮标到规划航迹线DkDk+1的航迹偏差距离d(ti)＝dD(ti)*sin(β)，其中，β＝ψdd+ψbd；
(3)根据航迹偏差距离计算出目标航向增量，
其中，m、n为常系数，dmin、dmax为选定的航迹偏差距离临界值，ψ1＝mdmin 2，ψmax＝n(dmax|-dmin)+ψ1；根据动力浮标与规划航迹段的相对位置计算出目标航向
(4)根据计算的目标航向和采集的航向信息，按照PID控制方法对航向进行控制；
(5)若未到达当前目标航迹点，循环执行步骤2；若到达当前规划航迹点，执行步骤3。
步骤3：若未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算出下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制；提前转向距离
其中Rd(k+1)为提前转向距
离，ψd为相邻航迹段的夹角，α为常系数，Rb为当舵角为δb时动力浮标的回转半径，ψdmin、ψdmax分别为相邻航迹段的夹角的最小限定值和最大限定值。
步骤4：重复步骤2、3直至到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。
为了验证基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法的控制效果，通过搭建间接航迹跟踪控制器仿真模型，采用PID控制器作为内环航向控制器，采用基于航迹偏差距离的目标航向计算方法作为外环航迹控制器，一次完成仿真实验。仿真实验参数的设定参数如下：设定 PID航向控制器Kp、Ki、Kd参数分别为0.2、0、8.9；设定PID航速控制器Kp、Ki、Kd参数分别为0.5、0、24；设定比例系数m为2.5，n为5；设定航迹偏差距离临界值dmin为1m，dmax为17m；设定系数α为2，设定Rb为5.9m；设定相邻航迹段夹角的限定值ψdmin、ψdmax分别为90°、180°；设定动力浮标的初始速度为0m/s，设定初始推力为0N，设定初始舵角为0°；设定动力浮标的初始位置为(0,0)，设定初始航向为π/4rad；设定动力浮标的目标航行速度为2 kn,设定规划航迹点坐标为{(100,500)，(600,400)，(150,270)，(400,30)}。
仿真结果如图4和图5所示，图4显示了在基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法控制下动力浮标的位置变化；从图中可以看出动力浮标的航迹控制效果较好，整个仿真过程中航迹偏差距离较小。图5展示了在基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法控制下的方向舵变化情况；从图中可以看出整个控制过程中舵角变化较为平滑，没有出现大的震荡。综合来看，该方法较好的实现了动力浮标的航迹控制。

Claims (4)

1.一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，其特征在于，具体的实现步骤如下：
步骤1.电磁罗经获取动力浮标的实时航行信息，电磁罗经安装在动力浮标上，且动力浮标在已设定航迹点的路径上沿某一直线航迹段航行；
步骤2.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，未到达规划航迹点，运行基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制；
步骤3.根据实时航行信息判断动力浮标的位置，到达规划航迹点并且未到达最后一个规划航迹点，则切换规划航迹点，计算下一规划航迹段的提前转向距离并开始下一规划航迹段的航迹控制；
步骤4.重复步骤2～步骤3直至到达最后一个规划航迹点完成航迹控制任务。
2.根据权利要求1所述的一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，其特征在于：步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1.取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；设Dk(xk,yk)、Dk+1(xk+1,yk+1)分别代表两个相邻的规划航迹点，动力浮标沿规划航迹点Dk、Dk+1之间的连线航行；设B(ti)代表ti时刻动力浮标的位置，坐标为(xi,yi)；此时动力浮标的航向为ψB(ti)；
步骤2.2.得到规划航迹线DkDk+1的角度动力浮标到规划航迹点Dk+1的距离动力浮标到规划航迹点Dk+1的期望航向角计算出动力浮标到规划航迹线DkDk+1的航迹偏差距离d(ti)＝dD(ti)*sin(β)，其中，β＝ψdd+ψbd；
步骤2.3.根据航迹偏差距离计算出目标航向增量，根据动力浮标与规划航迹段的相对位置计算出目标航向；
步骤2.4.根据计算的目标航向和采集的航向信息，按照PID控制方法对航向进行控制；
步骤2.5.若未到达当前目标航迹点，循环执行步骤2；若到达当前规划航迹点，执行步骤3。
3.根据权利要求1所述的一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，其特征在于：步骤3所述的提前转向距离为
其中Rd(k+1)为提前转向距离，ψd为相邻航迹段的夹角，α为常系数，Rb为当舵角为δb时动力浮标的回转半径，ψdmin、ψdmax分别为相邻航迹段的夹角的最小限定值和最大限定值。
4.根据权利要求2所述的一种基于航迹偏差距离的动力浮标航迹控制方法，其特征在于：步骤2.3所述的目标航向增量为
步骤2.3所述的目标航向为
其中，m、n为常系数，dmin，dmax为选定的航迹偏差距离临界值，ψ1＝mdmin 2，ψmax＝n(|dmax|-dmin)+ψ1。
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