CN111309029A - 基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人艇路径跟踪技术领域,公开了一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台,获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;选取适当长度,选取适当角度,即当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。本发明针对控制器与无人艇之间的通讯,建立一个事件触发机制,与现有的基于时间周期的算法相比较,可以在保证无人艇路径跟随的准确性的前提下减少求解优化问题的计算量,同时减少通讯次数,降低了通讯成本。
Description
技术领域
本发明属于无人艇路径跟踪技术领域,尤其涉及一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台。
背景技术
目前,无人艇是一种响应快速灵活的高精度水面运动平台,以水面舰艇为支援平台,可长时间自主远程航行的无人智能设备。与常规舰船相比,无人艇的优点是吨位小、运输方便、速度快、机动灵活、造价低、环境适应能力强,在交通运输、军事行动、水文、航运、油气勘探与建设、海洋资料收集、科学技术等领域有着广泛的应用。在目标水域,无人艇可以通过无人遥控、按既定方案运行、自主运行等方式工作,在完全自主运行方式下,需要母船控制站实时发送控制信号给无人艇,大大增加了通讯成本。
无人艇的动态定位与控制通常基于一个远程陆基/母船控制站。控制站与设备之间通过通信网络连接。无人艇在完全自主运行的方式下,将位置、速度、航向等信息实时发送给控制站,控制站接受信息后经过处理,将控制信号发回无人艇,无人艇在做出相应动作。控制站发送控制信号的方式大多为定时发送,大大增加了通讯成本。
综上所述,现有技术存在的问题是:现有无人艇的动态定位与控制站发送控制信号的方式大多为定时发送,大大增加了通讯成本。
解决上述技术问题的难度:为降低通讯成本,一般的设计思路为减少输入信号与输出信号的发送频率,但是该方法在降低通讯成本的同时,可能会导致无人艇控制效果下降。本设计在路径跟踪中引入了事件触发机制,既解决了降低通讯成本的问题,又不会使控制效果下降。
解决上述技术问题的意义:现有的无人艇路径跟踪及控制器的设计中,还没有解决降低通讯成本并不影响控制效果的方法,而本设计就该问题提出了解决方案及路径跟踪思路,通过本专利,设计者可以在路径跟踪及控制器的设计中,加入事件触发机制,提高通讯效率,又不失原本的控制效果。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台。
本发明是这样实现的,一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法包括以下步骤:
第一步,获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;
第二步,选取适当长度,选取适当角度,即当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
进一步,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的圆形路径的路径跟踪方法包括:
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的半径,α为计算得出的角度,β为选取的适当角度;
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发;无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
进一步,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的直线路径的路径跟踪方法包括:
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的纵坐标,α为计算得出的角度,s为选取的适当距离;
无人艇当前位置与参考位置的直线距离为:L=n(t)-r;
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发;无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
进一步,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的无人艇的状态空间模型:
式中,x(t)=[m(t) n(t) θ(t) vm(t) vn(t) vθ(t)]为船体位置和速度状态;
其中,以无人艇的初始位置为坐标原点,正北方向为纵轴正方向,正东方向为横轴正方向,m(t)为当前时刻无人艇相对于坐标原点的横坐标,n(t)为无人艇相对于坐标原点的纵坐标,θ(t)为无人艇船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,vm(t)为无人艇速度在坐标系横轴正方向的速度分量,vn(t)为无人艇速度在坐标系纵轴正方向的速度分量,vθ(t)=dθ(t)/dt;u为两个推进器的控制输入;y为船体测量输出;ω(t)为无人艇的外部扰动;A、B、C、D为适当维数的矩阵;
采用输出反馈控制器,则u(t)=Hy(ti)+V;
定义误差变量e(t)=y(ti)-y(t),t∈[ti,ti+1];
控制律变为u(t)=H(y(t)+e(t))+V=H(Cx(t)+e(t))+V;
本发明的另一目的在于提供一种如所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在交通运输中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种如所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在水文勘探中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种如所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在航运勘探中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种如所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在建设、海洋资料收集中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种如所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在科学技术资料收集中的应用。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的无人艇控制平台。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:本发明针对控制器与无人艇之间的通讯,建立一个事件触发机制,与现有的基于时间周期的算法相比较,可以在保证无人艇路径跟随的准确性的前提下减少求解优化问题的计算量,同时减少通讯次数,降低了通讯成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的无人艇的状态空间模型运行原理图。
图3是本发明实施例提供的圆形路径的路径跟踪示意图。
图4是本发明实施例提供的直线路径的路径跟踪示意图。
图5是本发明实施例提供的无事件触发的圆形路径跟踪效果图。
图6是本发明实施例提供的基于事件触发的圆形路径跟踪效果图。
图7是本发明实施例提供的无事件触发的直线路径跟踪效果图。
图8是本发明实施例提供的基于事件触发的直线路径跟踪效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法、无人艇控制平台,下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示,本发明实施例提供的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法包括以下步骤:
S101:获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;
S102:选取适当长度,选取适当角度,即当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明实施例提供的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法可以是状态空间模型;如图2所示,以状态空间模型为例。
无人艇的状态空间模型如下:
式中,x(t)=[m(t) n(t) θ(t) vm(t) vn(t) vθ(t)]为船体位置和速度状态;
其中,以无人艇的初始位置为坐标原点,正北方向为纵轴正方向,正东方向为横轴正方向,m(t)为当前时刻无人艇相对于坐标原点的横坐标,n(t)为无人艇相对于坐标原点的纵坐标,θ(t)为无人艇船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,vm(t)为无人艇速度在坐标系横轴正方向的速度分量,vn(t)为无人艇速度在坐标系纵轴正方向的速度分量,vθ(t)=dθ(t)/dt;u为两个推进器的控制输入;y为船体测量输出;ω(t)为无人艇的外部扰动;A、B、C、D为适当维数的矩阵。
采用输出反馈控制器,则u(t)=Hy(ti)+V;
定义误差变量e(t)=y(ti)-y(t),t∈[ti,ti+1];
控制律变为u(t)=H(y(t)+e(t))+V=H(Cx(t)+e(t))+V;
1、圆形路径的路径跟踪,如图3所示;
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的半径,α为计算得出的角度,β为选取的适当角度。
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,即当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
2、直线路径的路径跟踪,如图4所示;
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的纵坐标,α为计算得出的角度,s为选取的适当距离。
无人艇当前位置与参考位置的直线距离为:L=n(t)-r;
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,即当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发;此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。
1.圆形路径跟踪的仿真实验,如图5和图6所示。
2.直线路径跟踪的仿真实验,如图7和图8所示。
表1:控制站发送给无人艇的信号次数
圆形路径 | 直线路径 | |
无事件触发 | 1000 | 400 |
事件触发 | 285 | 201 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于事件触发的无人艇路径跟踪方法,其特征在于,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法包括以下步骤:
第一步,获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;
第二步,选取长度和角度,当船体偏离距离或偏离角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
2.如权利要求1所述的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法,其特征在于,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的圆形路径的路径跟踪方法包括:
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的半径,α为计算得出的角度,β为选取的适当角度;
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发;无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
3.如权利要求1所述的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法,其特征在于,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的直线路径的路径跟踪方法包括:
其中为计算得出的参考路径相对于坐标原点的横坐标,为计算得出的参考路径相对于坐标原点的纵坐标,为计算得出的参考路径船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,r为参考路径的纵坐标,α为计算得出的角度,s为选取的适当距离;
无人艇当前位置与参考位置的直线距离为:L=n(t)-r;
事件触发的条件:|L|>L0或|ψ|>ψ0;
L0选取适当长度,ψ0选取适当角度,当船体偏离一定距离或偏离一定角度时,事件触发器触发;无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
4.如权利要求1所述的基于事件触发的无人艇路径跟踪方法,其特征在于,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的无人艇的状态空间模型:
式中,x(t)=[m(t) n(t) θ(t) vm(t) vn(t) vθ(t)]为船体位置和速度状态;
其中,以无人艇的初始位置为坐标原点,正北方向为纵轴正方向,正东方向为横轴正方向,m(t)为当前时刻无人艇相对于坐标原点的横坐标,n(t)为无人艇相对于坐标原点的纵坐标,θ(t)为无人艇船头方向相对于坐标系横轴正方向的夹角,vm(t)为无人艇速度在坐标系横轴正方向的速度分量,vn(t)为无人艇速度在坐标系纵轴正方向的速度分量,vθ(t)=dθ(t)/dt;u为两个推进器的控制输入;y为船体测量输出;ω(t)为无人艇的外部扰动;A、B、C、D为适当维数的矩阵;
采用输出反馈控制器,则u(t)=Hy(ti)+V;
定义误差变量e(t)=y(ti)-y(t),t∈[ti,ti+1];
控制律变为u(t)=H(y(t)+e(t))+V=H(Cx(t)+e(t))+V;
5.一种实施权利要求1~4任意一项所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的基于事件触发的无人艇路径跟踪系统,其特征在于,所述基于事件触发的无人艇路径跟踪系统包括:
角度差获取模块,用于获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;
数据预处理模块,用于选取长度和角度,当船体偏离距离或偏离角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
6.一种接收用户输入程序存储介质,所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求任意一项所述包括下列步骤:
获取无人艇当前位置与参考位置的直线距离,无人艇当前方向与参考方向的角度差;
选取长度和角度,当船体偏离距离或偏离角度时,事件触发器触发,此时,无人艇的参考路径更新,并将传感器测得的数据传给控制器。
7.一种如权利要求1~4任意一项所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在交通运输无人艇路径跟踪方法中的应用。
8.一种如权利要求1~4任意一项所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在水文勘探无人艇路径跟踪方法中的应用。
9.一种如权利要求1~4任意一项所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法在航运勘探无人艇路径跟踪方法中的应用。
10.一种应用权利要求1~4任意一项所述基于事件触发的无人艇路径跟踪方法的无人艇控制平台。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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