CN111176292A - 一种基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪滑翔器路径跟踪控制方法，根据波浪滑翔器距离期望路径的侧边距H_c与设定转向距离H_set的大小，决定波浪滑翔器的两种路径跟踪方式。当侧边距H_c大于设定值H_set时，波浪滑翔器会沿侧边距H_c的方向逼近期望轨迹，当波浪滑翔器移动到所在位置侧边距H_c小于设定值H_set时，波浪滑翔器将会采用视向算法(LOS)计算出期望航向。得到期望航向后，将罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差输入至PID航向控制器，输出尾舵角度，使波浪滑翔器快速收敛至期望航向。本发明提供的波浪滑翔器的路径跟踪控制方法简化了控制流程，简单可靠。

Description

一种基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪控制方法，特别涉及应用于波浪滑翔器运动控制领域。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型的海洋移动观测平台，主要由浮体船、脐带缆、牵引机三部分组成。利用上述三部分组成的多刚体结构将波浪能转化为前向动力，利用太阳能电池板为波浪滑翔器导航、通讯和运动控制等提供能源供给，波浪滑翔器可实现长时间、大范围的海上自主航行。

波浪滑翔器模型的不确定性、非线性以及海洋环境的复杂多变使其路径跟踪控制变得尤为困难。为简化波浪滑翔器导航控制流程，降低导航控制模块运行功耗，本发明旨在提供一种简单易行的波浪滑翔器路径跟踪控制方法，节省导航控制系统资源。

发明内容

本发明提供一种新型路径跟踪控制方法，实现波浪滑翔器快速可靠路径跟踪控制。本发明所涉及的一种波浪滑翔器路径跟踪控制方法也可扩展到与波浪滑翔器结构类似的其他水面无人航行器上。

本发明的实现步骤如下：

步骤一：波浪滑翔器启动侧边距路径跟踪方法，通过GPS实时定位给出波浪滑翔器当前位置(x，y)，计算所述当前位置(x，y)与期望轨迹的侧边距H_c。设定波浪滑翔器路径跟踪转向距离H_set，通过判断所述侧边距H_c与转向距离H_set的大小决定波浪滑翔器的路径跟踪方式；

步骤二：当侧边距H_c大于设定值H_set时，波浪滑翔器会沿侧边距H_c的方向逼近期望轨迹，当波浪滑翔器移动到所在位置侧边距H_c小于设定值H_set时，波浪滑翔器将会采用视向算法(LOS)计算出期望航向。

步骤三：得到期望航向后，将罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差输入至PID航向控制器，输出尾舵角度，使波浪滑翔器快速收敛至期望航向。

步骤四：判断波浪滑翔器是否完成当前目标路径的跟踪，如果未完成，重复步骤一、步骤二和步骤三直至路径跟踪到达目标点；如果完成则切换到下一条目标路径进行跟踪，直至完成所有的路径跟踪。

在波浪滑翔器目标路径跟踪控制过程中，期望航向的实时获取是保证波浪滑翔器路径导航控制的关键所在，因此，在满足波浪滑翔器导航控制精度前提下，快速有效获得波浪滑翔器期望航向角度，简化导航控制算法对提高波浪滑翔器控制鲁棒性和降低控制功耗具有重大作用。本发明的效果是：当波浪滑翔器所在位置侧边距H_c大于和小于设定值H_set时，采用两种不同的路径跟踪控制方法得到期望航向，通过简单易行的PID航向控制输出尾舵角度，保证波浪滑翔器简单可靠完成复杂海况下多干扰并存的路径跟踪控制。

附图说明

图1是基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪方法流程图；

图2是基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪方法框图；

图3是基于侧边距的波浪滑翔器路径跟踪方法示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

如图1所示，首先波浪滑翔器启动侧边距路径跟踪方法，通过GPS实时定位给出波浪滑翔器当前位置，计算所述当前位置与期望轨迹的侧边距H_c。判断侧边距H_c与设定转向距离H_set的大小进行两种不同的路径跟踪方式。侧边距H_c大于设定值H_set时，波浪滑翔器会沿侧边距H_c的方向逼近期望轨迹，当波浪滑翔器移动到所在位置侧边距H_c小于设定值H_set时，波浪滑翔器将会采用视向算法(LOS)计算出期望航向。得到期望航向后，将罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差输入至PID航向控制器，输出尾舵角度，使波浪滑翔器快速收敛至期望航向。判断波浪滑翔器是否完成当前目标路径的跟踪，如果未完成，重复步骤一、步骤二和步骤三直至路径跟踪到达目标点；如果完成则切换到下一条目标路径进行跟踪，直至完成所有的路径跟踪。

LOS算法获取期望航向角的方程为：

其中，ψ_los为期望航向角，期望位置是P₁＝(x_k+1，y_k+1)，波浪滑翔器的当前位置为P＝(x，y)。

由图3可知，期望位置P₁＝(x_k+1，y_k+1)与波浪滑翔器当前位置在期望路径上的投影点相距Δ＝nL，这里n＝2～5。L为波浪滑翔器长度，Δ称为可视距离。此时，LOS算法可以写成：

其中，α_k是正北方向与期望路径的夹角。

给出舵角δ与航向角偏差ψ_e的PID控制方程：

其中，k₁，k₂，k₃为比例系数，ψ_e为航向角偏差，ψ_e＝ψ-ψ_los，其中ψ为实际航向角，ψ_los为期望航向角。

本发明的特点体现在：

(1)当波浪滑翔器所在位置侧边距H_c大于和小于设定值H_set时，本发明所提方法采用两种不同的路径跟踪控制方法得到期望航向，在保证导航控制精度的前提下，简化了波浪滑翔器期望航向获取流程。

(2)本发明所提方法通过简单易行的PID航向控制输出尾舵角度，保证波浪滑翔器简单可靠完成复杂海况下多干扰并存的路径跟踪控制。

(3)本发明所提方法能在保证跟踪精度的同时，有效的降低波浪滑翔器跟踪能耗，提高波浪滑翔器的续航能力，具有实际工程意义。

Claims (6)

1.一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，提供一种波浪滑翔器路径跟踪控制方法，具有以下步骤：

步骤一：波浪滑翔器启动侧边距路径跟踪方法，通过GPS实时定位给出波浪滑翔器当前位置(x，y)，计算当前位置(x，y)与期望轨迹的侧边距H_c。设定波浪滑翔器路径跟踪转向距离H_sct，通过判断所述侧边距H_c与转向距离H_sct的大小决定波浪滑翔器的路径跟踪方式；

步骤二：当侧边距H_c大于设定值H_set时，波浪滑翔器会沿侧边距H_c的方向逼近期望轨迹，当波浪滑翔器移动到所在位置侧边距H_c小于设定值H_set时，波浪滑翔器将会采用视向算法(LOS)计算出期望航向。

步骤三：得到期望航向后，将罗盘回传的当前航向与期望航向的偏差输入至PID航向控制器，输出尾舵角度，使波浪滑翔器快速收敛至期望航向。

步骤四：判断波浪滑翔器是否完成当前目标路径的跟踪，如果未完成，重复步骤一、步骤二和步骤三直至路径跟踪到达目标点：如果完成则切换到下一条目标路径进行跟踪，直至完成所有的路径跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，步骤一所述的侧边距为波浪滑翔器距离目标路径的垂直距离，通过GPS实时定位可以计算出波浪滑翔器当前的侧边距H_c，在大于侧边距H_c和小于侧边距H_c时采取不同的方法进行移动。

3.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，将波浪滑翔器对目标路径的跟踪转换成对期望航向的跟踪，从而简化了控制的流程。

4.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，步骤三所述的LOS算法是路径跟踪控制的理论基础，LOS算法的导航原理认为被控船舶的航向保持对准视线角，那么经适当的控制就能达到路径跟踪的效果。该算法得出期望航向角，结合PID控制消除航向角偏差，使波浪滑翔器的当前航向角收敛于期望航向角，最终完成对目标点的路径跟踪。

5.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，期望航向角的求取，假设当前路径跟踪的期望位置是P₁＝(x_k+1，y_k+1)，波浪滑翔器的当前位置为P＝(x，y)，那么期望航向角可有下面公式得到：

6.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器路径跟踪方法，其特征在于，通过合理的设置PID参数，可以得到稳定收敛的控制规律，使航向角偏差趋于零。PID控制规律为：

其中，δ为舵角，ψ_e为航向角偏差。系统存在一个较大的ψ_e，经PID控制便会产生一个舵角，从而控制波浪滑翔器向期望航向点航行，达到路径跟踪的效果。

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