CN111650932B - 无人艇折线航迹跟踪控制方法、控制器以及无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人艇折线航迹跟踪控制方法、控制器以及无人艇，能够有效减少运行计算量，降低切换过渡的超调量，同时提高航迹跟踪控制的精确性和可靠性。折线航迹跟踪控制方法包括：根据预先设定的期望经过的航路点，设计无人艇的期望折线航迹，并计算无人艇到任一折线段航迹的有向距离；基于有向距离设计无人艇折线航迹跟踪控制过程的艏向角引导律，使无人艇加速靠近目标航迹；设计折线航迹过渡段的定常回转圆平滑过渡策略，在即将进入下一条折线航迹前，使得无人进入定常圆回转状态；进行无人艇的航速控制计算；设计艏向角速度的虚拟输入，基于非线性反步法的逐步递推，得到期望艏向角的控制律；按照以上步骤控制无人艇按照期望航迹行驶。

Description

无人艇折线航迹跟踪控制方法、控制器以及无人艇

技术领域

本发明属于船舶工程和船舶自动化航行领域，具体涉及一种无人艇折线航迹跟踪控 制方法、控制器以及无人艇。

背景技术

水面无人艇(Unmanned Surface Vessel,USV)，简称无人艇，作为一种智能化的无人 海洋装备，近年来备受世界各国研究人员的关注；无人艇在军事应用、商业开发、科学考察等方面，无人艇具有广阔的应用前景和巨大的商业价值，在配备一定的传感器系统、通信系统、控制系统以及武器系统等条件下，无人艇可进入常规有人船舶不宜进入的恶 劣危险海域，执行各种军事以及非军事任务，如：军事侦察、反潜作战、海上气象预报、 水文地理勘察、海上搜救、海上环境监测等。

与无人机、无人车、无人潜水器等无人装备一样，智能性也是无人艇研制过程中的一项重要指标；航迹跟踪能力是无人艇智能性的重要体现要素之一，无人艇在执行任务 过程中要跟踪或绕过船只、实现编队航行等，均需依赖其航迹跟踪能力。无人艇的航迹 跟踪系统，是一类典型的欠驱动系统和二阶非完整系统，且高速航行过程中，风浪流等 复杂海洋环境干扰影响也将比中低速航行时大大增强，要保证其自主航迹跟踪的稳定性 和精确性，这对航迹跟踪系统的可靠性和自适应性要求很高。

折线航迹跟踪是无人艇航迹跟踪控制领域最基本也最重要的一种类型，通常将若干 个关键航路点连接成若干条折线航迹的形式来实现无人艇的折线航迹跟踪控制。目前应 用最多的方法是视线法导向，同时在折线航迹上设计若干个引导点，通过对引导点的跟踪从而实现对整条折线航迹的跟踪控制。该方法存在以下几方面的不足：

(1)折线航迹上引导点的设计会增加计算工作量，频繁的引导点切换和判断降低整个系统的运行速度，且对引导点的切换策略要求很高，设计稍微不合理便会出现无法 实现跟踪的情况。

(2)传统视线法通过到关键航路点进行折线航迹的切换，切换过程中控制系统的超调量很大，且在切换瞬间的控制作用变化剧烈，在反复的振荡控制作用之后才缓慢进 入收敛状态，对执行机构损耗较大。

(3)现有折线航迹跟踪控制算法中的艏向角控制策略，一般是基于PID控制方法设计的，该方法控制精度较低，且不能充分体现无人艇本身的运动特性，针对每个艇的 模型不一样该方法不能随模型自适应调整。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种无人艇折线航迹跟踪控制 方法、控制器以及无人艇，能够有效减少运行计算量，降低切换过渡的超调量，同时提高整个折线航迹跟踪控制系统的精确性和可靠性。本发明为了实现上述目的，采用了以 下方案：

<方法>

本发明提供一种无人艇折线航迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.根据预先设定的期望经过的航路点，设计无人艇的期望折线航迹，并计算无人艇到任一折线段航迹的有向距离；

无人艇期望经过航路点为p_k时，下一条目标直线航迹方程设计成：

其中，(x_k,y_k)，(x_k+1,y_k+1)为设计参考折线中一段直线的首尾两点，(x_i,y_i)为折线航迹上的点坐标值；

无人艇到折线航迹的有向距离为：

e＝sgn(e)d

其中e为无人艇到折线航迹的有向距离，d为无人艇到折线航迹的距离数值，且有

综合上述格式，设计无人艇到折线航迹的有向距离为如下形式：

无人艇到折线航迹的有向距离为：

步骤2.基于有向距离设计无人艇折线航迹跟踪控制过程的艏向角引导律，使无人艇加速靠近目标航迹；

式中，

为期望艏向角，e为无人艇与期望折线段航迹的有向距离，Δ为视距，一般取两倍的无人艇船长，v为无人艇横向速度，u为无人艇纵向速度；

步骤3.设计折线航迹过渡段的定常回转圆平滑过渡策略，在即将进入下一条折线航迹前，使得无人进入定常圆回转状态；

在折线航迹中由p_k-1p_k段到p_kp_k+1段的切换过程中，此处设计一种圆弧平滑过渡的切换策略，即在该处使用半径为R的圆弧切直线航迹，定义圆弧与两直线航迹相切点为 s₁,s₂，R的值取为无人艇的定常回转半径；判断无人艇是否到达切换点的策略设计为：

d≤R+Rcosθ

式中，R为设计的理想相切圆的半径，θ为两条直线航航迹的夹角，通过判断无人艇到下一条折线航迹的距离是否满足上式来判断无人艇是否达到切换航迹点s₁，满足时无人艇切换至过渡状态，过渡状态无人艇控制方法形式如下：

τ_r＝N_R

式中τ_r为控制转艏力矩，N_R为根据无人艇自身运动特性，通过大量的仿真实验或者实际实验测试分析得到的，能够让无人艇按照半径为R的圆弧轨迹运动的参考值；

判断无人艇到达s₂点时，切换控制转艏力矩，判断依据为下式：

式中，R_d为设计的阈值，当d≤R_d时，则认定无人艇已经到达s₂点，此时无人艇终 止定常回转阶段，切换转艏控制力矩，按照步骤5设计控制力矩，然后进入跟踪下一条 折线航迹p_kp_k+1的跟踪模式，更新期望航路点为p_k+1，重新执行步骤1与步骤2；

步骤4.无人艇的航速控制计算方法为：

式中，t为时间变量，X_pro(t)为当前时刻所需的纵向推力，X_pro(t-1)为上一时刻的纵 向推力，ΔX_pro(t)为当前时刻纵向力控制量变化量，u_e为当前航速与期望航速的差值，表达式为u_e＝u_d-u，u_d为期望航速，u为当前航速。

步骤5.设计艏向角速度的虚拟输入，基于非线性反步法的逐步递推，得到期望艏向角的控制律；

无人艇的艏向控制系统为：

式中，

为无人艇期望艏向角，

为无人艇期望艏向角变化率，

为无人艇实际艏向角，

为无人艇实际艏向角变化率，

为当前艏向角与期望艏向角的误差值，

为当 前艏向角与期望艏向角的误差值的变化率，ψ(u,v)表示包含u,v两项的函数，χ(r)表示 包含r的线性项与非线性项，τ_rr表示常数项与转艏力矩合值，a₄为比例系数；

艏向角速度r的虚拟输入为

艏向角速度r的虚拟输入偏差为r_e：

则在虚拟输入作用下：

且

无人艇的艏向角控制误差系统：

期望艏向角控制律为：

按照以上步骤1至5控制无人艇按照期望航迹行驶。

<控制器>

进一步，本发明还提供一种无人艇折线航迹跟踪控制器，采用上文<方法>中所描述 的方法跟踪控制无人艇的行驶航迹。

<无人艇>

更进一步，本发明还提供一种无人艇，该无人艇具有上文<控制器>中所描述的无人 艇折线航迹跟踪控制器。

发明的作用与效果

针对传统无人艇折线航迹控制方法存在引导点设计繁杂且计算工作量大、关键航路 点切换存在大的超调量、艏向角控制方法不能体现无人艇自身特性等问题；本发明提供了无人艇折线航迹跟踪控制方法，通过采用统一的有向距离设计艏向角引导律，在关键 航路点处设计定常回转圆实现折线过渡切换，且基于非线性反步法设计可以随无人艇模 型变化自适应调整的艏向角控制方法，有效减少了控制系统的运行计算量，并且降低了 切换过渡的超调量，避免了控制系统的反复振荡，减少了执行机构的损耗，可延长执行 机构使用寿命，同时实现了艏向角控制律随无人艇模型的自适应调整，切实提高了整个 折线航迹跟踪控制系统的精确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例所涉及的无人艇坐标系图；

图2为本发明实施例所涉及的无人艇折线航迹跟踪原理图；

图3为本发明实施例所涉及的折线航迹切换示意图；

图4为本发明实施例所涉及的折线航迹跟踪结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的无人艇折线航迹跟踪控制方法、控制器以及无人艇的 具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1和2所示，本实施例所提供的无人艇折线航迹跟踪控制方法及系统包括以下步 骤：

步骤1：根据预先设定的期望经过的航路点，设计无人艇的期望折线航迹，并计算无人艇到任一折线段航迹的有向距离；

无人艇期望经过航路点为p_k时，下一条目标直线航迹方程设计成

其中，(x_k-1,y_k-1)，(x_k+1,y_k+1)为设计的一段参考折线路径的首尾两点，(x_i,y_i)为折线航迹上的点坐标值，上述点坐标描述均采用的大地坐标系x_no_ny_n。本实例采取的 折线点库为：[(100，100)；(2000，3000)；(4000，100)；(6000，3000)；(8000， 100)]。

无人艇到折线航迹的有向距离为：

e＝sgn(e)d

其中e为无人艇到折线航迹的有向距离，d为无人艇到折线航迹的距离数值，且有

综合上述格式，设计无人艇到折线航迹的有向距离为如下形式：

步骤2：基于有向距离设计无人艇折线航迹跟踪控制过程的艏向角引导律，使无人艇可以加速靠近目标航迹，无人艇折线航迹跟踪原理如图二所示；

式中，

为期望艏向角，e为无人艇与期望折线段航迹的有向距离，Δ为视距，一般取两倍无人艇船长，本实例中Δ＝56m，v为无人艇横向速度，u为无人艇纵向速度。

步骤3：设计折线航迹过渡段的定常回转圆平滑过渡策略，在即将进入下一条折线航迹前，使得无人进入定常圆回转状态；

如图3所示，在折线航迹中由p_k-1p_k段到p_kp_k+1段的切换过程中，此处设计一种圆 弧平滑过渡的切换策略，即在该处使用半径为R的圆弧切直线航迹，定义圆弧与两直线 航迹相切点为s₁,s₂，R的值取为无人艇的定常回转半径。判断无人艇是否到达切换点的 策略设计为：

d≤R+Rcosθ

式中，R为设计的理想相切圆的半径，本实例中R＝320m，θ为两条直线航航迹的 夹角，通过判断无人艇到下一条折线航迹的距离是否满足上式来判断无人艇是否达到切 换航迹点s₁，满足时无人艇切换至过渡状态，过渡状态无人艇控制方法形式如下：

τ_r＝N_R

式中，τ_r为控制转艏力矩，N_R为根据无人艇自身运动特性，通过大量的仿真实验或者实际实验测试分析得到的，能够让无人艇按照半径为R的圆弧轨迹运动的参考值。

本实例中τ_r＝±10⁵N·m，±表示无人艇转向的方向性，本实例中规定顺时针转向，力矩为负值，逆时针转向，力矩为正值。判断无人艇到达s₂点时，切换控制转艏力矩， 判断依据为下式：

式中，R_d为设计的阈值，本实例中R_d＝15m，当d≤R_d时，则认定无人艇已经到达 s₂点，此时无人艇终止定常回转阶段，切换为转艏控制力矩，具体控制力矩设计方法见 步骤5，然后进入跟踪下一条折线航迹p_kp_k+1的跟踪模式，即更新期望航路点为p_k+1，重 新执行步骤1与步骤2。

步骤4：基于一种累加PID控制策略设计无人艇的航速控制算法；

式中，X_pro(t)为当前时刻所需的纵向推力，X_pro(t-1)为上一时刻的纵向推力， ΔX_pro(t)为当前时刻纵向力控制量变化量，u_e为当前航速与期望航速的差值，表达式为 u_e＝u_d-u，u_d为期望航速，本实例中u_d＝3m/s，u为当前航速。其PID控制参数为：

步骤5：设计艏向角速度的虚拟输入，基于非线性反步法的逐步递推，得到期望艏向角的控制律。

本实例中无人艇运动模型为：

其中无因次化模型参数为：

则无人艇的艏向控制系统可以设计成：

式中

设计艏向角速度r的虚拟输入为

设计艏向角速度r的虚拟输入偏差为r_e：

则在虚拟输入作用下：

且

无人艇的艏向角控制误差系统：

设计期望艏向角控制律为：

设计无人艇艏向角控制误差系统的李亚普诺夫函数为：

对上述李亚普诺夫函数求导可得：

因此上式期望艏向角控制律具有全局渐近稳定性。

其中，控制参数为

因此上式期望艏向角控制律具有全局渐近稳定性。本实施例中无人艇的航迹跟踪结 果如图4所示，实际跟踪控制后的航迹与期望航迹相符。

进一步，将上述方法用于无人艇中的折线航迹跟踪控制器，就可以自动跟踪控制无 人艇的行驶航迹，一方面降低在折线航迹上大量设计引导点带来的计算工作量，同时避免了频繁切换航迹引导点可能带来的系统不稳定性问题；另一方面，还可以有效避免关 键航路点处切换带来的控制系统超调量大的问题，同时避免了控制系统的反复振荡，减 少执行机构的损耗，进而延长执行机构使用寿命；并且，实现了艏向角控制律随无人艇 模型的自适应调整，切实提高了整个折线航迹跟踪控制系统的精确性和可靠性。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的无人艇折线 航迹跟踪控制方法、控制器以及无人艇并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种无人艇折线航迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.根据预先设定的期望经过的航路点，设计无人艇的期望折线航迹，并计算无人艇到任一折线段航迹的有向距离；

无人艇期望经过航路点为p_k时，下一条目标直线航迹方程设计成：

其中，(x_k,y_k)，(x_k+1,y_k+1)为设计参考折线中一段直线的首尾两点，(x_i,y_i)为折线航迹上的点坐标值；

无人艇到折线航迹的有向距离为：

步骤2.基于有向距离设计无人艇折线航迹跟踪控制过程的艏向角引导律，使无人艇加速靠近目标航迹；

式中，

为期望艏向角，e为无人艇与期望折线段航迹的有向距离，△为视距，v为无人艇横向速度，u为无人艇纵向速度；

步骤3.设计折线航迹过渡段的定常回转圆平滑过渡策略，在即将进入下一条折线航迹前，使得无人进入定常圆回转状态；

在折线航迹中由p_k-1p_k段到p_kp_k+1段的切换过程中，使用半径为R的圆弧切直线航迹，定义圆弧与两直线航迹相切点为s₁,s₂，R的值取为无人艇的定常回转半径；判断无人艇是否到达切换点的策略设计为：

d≤R+Rcosθ

式中，R为设计的理想相切圆的半径，θ为两条直线航航迹的夹角，通过判断无人艇到下一条折线航迹的距离是否满足上式来判断无人艇是否达到切换航迹点s₁，满足时无人艇切换至过渡状态，过渡状态无人艇控制方法形式如下：

τ_r＝N_R

式中τ_r为控制转艏力矩，N_R为试验得到的能够让无人艇按照半径为R的圆弧轨迹运动的参考值；

判断无人艇到达s₂点时，切换控制转艏力矩，判断依据为下式：

式中，R_d为设计的阈值，当d≤R_d时，则认定无人艇已经到达s₂点，此时无人艇终止定常回转阶段，切换转艏控制力矩，按照步骤5设计控制力矩，然后进入跟踪下一条折线航迹p_kp_k+1的跟踪模式，更新期望航路点为p_k+1，重新执行步骤1与步骤2；

步骤4.无人艇的航速控制计算方法为：

式中，t为时间变量，X_pro(t)为当前时刻所需的纵向推力，X_pro(t-1)为上一时刻的纵向推力，△X_pro(t)为当前时刻纵向力控制量变化量，u_e为当前航速与期望航速的差值，表达式为u_e＝u_d-u，u_d为期望航速，u为当前航速；

步骤5.设计艏向角速度的虚拟输入，基于非线性反步法的逐步递推，得到期望艏向角的控制律；

无人艇的艏向控制系统为：

式中，

为无人艇期望艏向角，

为无人艇期望艏向角变化率，

为无人艇实际艏向角，

为无人艇实际艏向角变化率，

为当前艏向角与期望艏向角的误差值，

为当前艏向角与期望艏向角的误差值的变化率，ψ(u,v)表示包含u,v两项的函数，χ(r)表示包含r的线性项与非线性项，τ_rr表示常数项与转艏力矩合值，a₄为比例系数；

艏向角速度r的虚拟输入为

艏向角速度r的虚拟输入偏差为r_e：

则在虚拟输入作用下：

且

无人艇的艏向角控制误差系统：

期望艏向角控制律为：

；

按照以上步骤1至5控制无人艇按照期望航迹行驶。

2.一种采用权利要求1所述的无人艇折线航迹跟踪控制方法来跟踪控制无人艇行驶航迹的无人艇折线航迹跟踪控制器。

3.一种具有权利要求2所述的无人艇折线航迹跟踪控制器的无人艇。

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