CN110673598B - 一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法 - Google Patents

一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

一种水面无人艇智能路径跟踪控制方法
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：
Figure BDA0002220473830000021
式中，(xr,yr)为实时参考路径点坐标，(xj,yj),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，αj-1为连接航迹点(xj-1,yj-1)与(xj,yj)的路径方位角，R为Line-of-Sight圆半径，其计算方式如下：
Figure BDA0002220473830000022
式中，Rmin是LOS的最小圆半径，δ是过渡层的厚度，k1是可调系数，当偏航距离|ye|>Rmin+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|ye|≤Rmin-δ时，无人艇以最小内切圆半径Rmin趋向于期望路径，而当Rmin-δ<|ye|≤Rmin+δ时，LOS半径能够在[Rmin,Rmin+δ]之间光滑过渡。
步骤二所述的根据第一步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具体如下：
期望航向角计算：
ψr＝arctan[(yr-y)/(xr-x)]
式中，(x,y)是无人艇实际位置坐标，(xr,yr)是为实时参考路径点坐标。
基于航向偏差的补偿器设计：
Figure BDA0002220473830000031
式中，△ψ是航向角偏差，ψr是无人艇的实际航向，ψLOS是视线角，ψH是航向补偿角，kp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。
基于路径偏差的LOS视线角补偿器：
Figure BDA0002220473830000032
式中，ψP是路径偏差补偿角，k3是补偿器的可调系数，ye是偏航距离。
步骤三所述的设计基于跟踪误差的航向模糊控制器具体如下：
以航向偏差E和航向偏差变化率EC作为模糊控制器的输入语言变量，转首力矩τr作为输出语言变量。定义的变量基本论域：航向偏差角E为(-180°，180°]，航向偏差变化率EC为[-3.6°/s，3.6°/s]，转首力矩τr为[-1.5N·m，1.5N·m]；定义模糊变量的量化论域：航向偏差角E为(-3，-，2-1,0,1,2,3)，航向偏差变化率EC为(-3，-，2-1,0,1,2,3)，转首力矩τr为(-3，-，2-1,0,1,2,3)；定义他们的模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分别代表其负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。模糊子集的隶属度函数选择正太型的三角函数，根据无人艇的操舵经验，可得控制规则如图4所示。
无人艇的航向控制器是一个两输入单输出的模糊控制器，在控制器的设计中，假设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，解模糊运算采用加权平均法，取模糊推理得到的隶属度的加权平均值。
Figure BDA0002220473830000033
式中：u是解模糊后的精确值，ui是模糊控制量论域内的值，μC(ui)是ui的隶属度值。
步骤四所述的设计航速解算器和基于积分S面的航速控制器具体如下：
航速解算器可以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，设计如下：
Figure BDA0002220473830000041
式中，△ψd是实际航向与实际期望航向偏差的绝对值，vd是无人艇的期望航速，vmax是无人艇最大航速，△l是距下一个路径点的距离，k4、k5是可调参数。
积分S面航速控制器设计如下：
Figure BDA0002220473830000042
式中：τu是无人艇的推进力，k是积分步长，k6、k7是可调参数，△v、
Figure BDA0002220473830000043
分别是无人艇速度偏差和偏差变化率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明针对欠驱动无人艇的航路点路径跟踪控制问题，提出了一种新的自适应补偿视线法制导律和航速解算器，设计了模糊航向控制方法和积分S面航速控制方法：
1.对于自适应补偿视线法制导律，首先自适应确定视线法的最佳圆半径，然后再对LOS解出的视线角进行航向偏差和偏航距离的角度补偿，以引导无人艇以最佳视线角趋于期望路径，提高了路径跟踪的收敛性能；
2.考虑到无人艇跟踪的快速性，根据无人艇的航向偏差和相距前后两个路径点的距离，设计一种航速解算器，可实时解算出无人艇在跟踪过程中的最佳期望航速，大幅节省了跟踪所需时间；
3.设计的模糊航向控制器和积分S面航速控制器降低了对无人艇模型的依赖程度，同时具有更快的跟踪控制响应速度与较小的跟踪误差。
附图说明
图1路径跟踪控制结构图；
图2是LOS圆半径R随偏航距离d的变化曲线；
图3是无人艇封闭路径跟踪仿真图；
图4是无人艇的控制规则。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
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。
第一步，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，提取每个直线路径单元上的实时参考路径点：
Figure BDA0002220473830000051
式中，(xr,yr)为实时参考路径点，(xj,yj),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，αj-1为连接航迹点(xj-1,yj-1)与(xj,yj)的路径方位角，R为Line-of-Sight圆半径，随偏航距离的变化如图2所示，其计算方式如下：
Figure BDA0002220473830000052
式中，Rmin是LOS的最小圆半径，δ是过渡层的厚度，k1是可调系数，当偏航距离|ye|>Rmin+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|ye|≤Rmin-δ时，无人艇以最小内切圆半径Rmin趋向于期望路径，而当Rmin-δ<|ye|≤Rmin+δ时，LOS半径能够在[Rmin,Rmin+δ]之间光滑过渡。
第二步，根据第一步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。
期望航向角计算：
ψr＝arctan[(yr-y)/(xr-x)]
式中，(x,y)是无人艇实际位置坐标，(xr,yr)是为实时参考路径点坐标。
基于航向偏差的补偿器设计：
Figure BDA0002220473830000061
式中，△ψ是航向角偏差，ψr是无人艇的实际航向，ψLOS是视线角，ψH是航向补偿角，kp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。
基于路径偏差的LOS视线角补偿器：
Figure BDA0002220473830000062
式中，ψP是路径偏差补偿角，k3是补偿器的可调系数，ye是偏航距离。
第三步，设计基于跟踪误差的航向模糊控制器，以航向偏差E和航向偏差变化率EC作为模糊控制器的输入语言变量，转首力矩τr作为输出语言变量。定义的变量基本论域：航向偏差角E为(-180°，180°]，航向偏差变化率EC为[-3.6°/s，3.6°/s]，转首力矩τr为[-1.5N·m，1.5N·m]；定义模糊变量的量化论域：航向偏差角E为(-3，-，2-1,0,1,2,3)，航向偏差变化率EC为(-3，-，2-1,0,1,2,3)，转首力矩τr为(-3，-，2-1,0,1,2,3)；定义他们的模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分别代表其负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。模糊子集的隶属度函数选择正太型的三角函数，根据无人艇的操舵经验，可得控制规则如图4所示.
无人艇的航向控制器是一个两输入单输出的模糊控制器，在控制器的设计中，假设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，解模糊运算采用加权平均法，取模糊推理得到的隶属度的加权平均值。
Figure BDA0002220473830000063
式中：u是解模糊后的精确值，ui是模糊控制量论域内的值，μC(ui)是ui的隶属度值。
第四步，设计航速解算器和基于积分S面的航速控制器
航速解算器可以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，设计如下：
Figure BDA0002220473830000064
式中，△ψd是实际航向与实际期望航向偏差的绝对值，vd是无人艇的期望航速，vmax是无人艇最大航速，△l是距下一个路径点的距离，k4、k5是可调参数。
积分S面航速控制器设计如下：
Figure BDA0002220473830000071
式中：τu是无人艇的推进力，k是积分步长，k6、k7是可调参数，△v、
Figure BDA0002220473830000072
分别是无人艇速度偏差和偏差变化率。
第五步，将第三步和第四步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。整个控制系统设计原理如图3所示。
本实施例用来描述和解释本发明，以及阐述本发明的主要特征和优点，而不是对本发明进行限制，在本发明精神和权利要求范围内，对本发明的各种修改和改进都在本发明的保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

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：
Figure FDA0003708644970000011
式中，(xr,yr)为实时参考路径点坐标，(xj,yj),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，αj-1为连接航迹点(xj-1,yj-1)与(xj,yj)的路径方位角，R为Line-of-Sight圆半径，其计算方式如下：
Figure FDA0003708644970000012
式中，Rmin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|ye|＞Rmin+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|ye|≤Rmin-δ时，无人艇以最小内切圆半径Rmin趋向于期望路径，而当Rmin-δ＜|ye|≤Rmin+δ时，LOS半径能够在[Rmin,Rmin+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：
ψLOS＝arctan[(yr-y)/(xr-x)]
式中，ψLOS是无人艇的视线角，(x,y)是无人艇实际位置坐标，(xr,yr)是为实时参考路径点坐标；
基于航向偏差的补偿器设计：
Figure FDA0003708644970000021
式中，Δψ是航向角偏差，ψr是无人艇的实际航向角，kp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；ψH是航向补偿角；
基于路径偏差的LOS视线角补偿器：
Figure FDA0003708644970000022
式中，ψP是路径偏差补偿角，k3是补偿器的可调系数，ye是偏航距离。
3.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：所述的步骤三具体如下：
以航向偏差E和航向偏差变化率EC作为模糊控制器的输入语言变量，转首力矩τr作为输出语言变量；
定义的变量基本论域：航向偏差角E为(-180°，180°]，航向偏差变化率EC为[-3.6°/s，3.6°/s]，转首力矩τr为(-1.5N·m，1.5N·m]；
定义模糊变量的量化论域：航向偏差角E为(-3，-2，-1,0,1,2,3)，航向偏差变化率EC为(-3，-2，-1,0,1,2,3)，转首力矩τr为(-3，-2，-1,0,1,2,3)；
定义他们的模糊子集为：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，子集中元素分别代表其负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，模糊子集的隶属度函数选择正态型的三角函数；
无人艇的航向控制器是一个两输入单输出的模糊控制器，假设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，解模糊运算采用加权平均法，取模糊推理得到的隶属度的加权平均值
Figure FDA0003708644970000031
式中：u是解模糊后的精确值，ui是模糊控制量论域内的值，μC(ui)是ui的隶属度值。
4.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：所述的步骤四具体如下：
航速解算器根据无人艇实际航向角与最终期望航向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，设计如下：
Figure FDA0003708644970000032
式中，Δψd是无人艇的实际航向角与最终期望航向角偏差的绝对值，vd是无人艇的期望航速，vmax是无人艇最大航速，Δl是距下一个路径点的距离，k4、k5是可调参数；
积分S面航速控制器设计如下：
Figure FDA0003708644970000033
式中：τu是无人艇的推进力，k是积分步长，k6、k7是可调参数，Δv、
Figure FDA0003708644970000034
分别是无人艇速度偏差和偏差变化率。
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