CN111781923B - 一种水面无人艇区域保持控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水面无人艇区域保持控制系统及方法，其中，该系统包括：远端遥控系统、艇端控制系统以及无线通讯链路；其中，远端遥控系统设置无人艇的区域保持控制任务参数，将区域保持控制任务参数通过无线通讯链路下发至艇端控制系统，艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则环境最优定位控制器根据接收的区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，无人艇的运动状态也将实时回传至远端遥控系统的显控台。本发明通用于全驱动和欠驱动水面无人艇并且不依赖于无人艇模型参数和复杂实验利于工程实现的同时还能有效节省能源。

Description

一种水面无人艇区域保持控制系统及方法
技术领域
本发明属于无人艇控制技术领域，尤其涉及一种水面无人艇区域保持控制系统及方法。
背景技术
随着无人技术的快速发展，近年来水面无人艇在军用和民用领域的应用日益广泛。水面无人艇可搭载多种任务载荷代替有人驾驶船舶在危险特殊水域执行任务，诸如对指定区域进行水样气象监测，在特殊条件下提供中继通信支持，对不明海域进行情报搜集环境探测以及配合水下潜器执行区域作业等。上述任务都要求无人艇在作业的同时保持在规定区域内，即具备区域保持能力。而目前关于水面无人艇区域保持控制技术的研究尚不成熟，基本停留在理论层面，要么基于无人艇模型仿真要么基于大量的实验数据，并不利于工程实现。此外，无人艇推进装置简单多为欠驱动船并且携带能源有限，因此，设计一种通用于全驱动和欠驱动水面无人艇并且不依赖于无人艇模型参数和复杂实验利于工程实现的同时还能有效节省能源的区域保持控制系统和方法显得尤为重要。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种水面无人艇区域保持控制系统及方法，通用于全驱动和欠驱动水面无人艇并且不依赖于无人艇模型参数和复杂实验利于工程实现的同时还能有效节省能源。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种水面无人艇区域保持控制系统，包括：远端遥控系统、艇端控制系统以及连接远端遥控系统和艇端控制系统的无线通讯链路；其中，远端遥控系统的显控台设置无人艇的区域保持控制任务参数，将区域保持控制任务参数通过无线通讯链路下发至艇端控制系统，艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则艇端控制系统的环境最优定位控制器根据接收的区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，从而实现无人艇始终保持在预设工作区域内，无人艇的运动状态也将实时回传至远端遥控系统的显控台；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径R。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，所述远端遥控系统包括供电设备、控制计算机和显控台；其中，供电设备为控制计算机和显控台提供稳定不间断电源，保障系统正常工作；控制计算机与显控台和无线通讯链路连接，控制计算机采集显控台下发的控制指令并通过无线通讯链路发送至艇端控制系统，控制计算机同时接收由艇端控制系统反馈的无人艇状态信息，并将无人艇运动状态显示于显示器上；显控台设置无人艇的区域保持控制任务参数；显控台包括第一显示器和操控台，其中，操控台设置无人艇的区域保持控制任务参数，第一显示器用于显示无人艇的区域保持控制任务参数；第一显示器显示内容包括视频画面监控、航行状态监测和控制指令，操控台设置有用于遥控无人艇启停、前进倒退、油门和舵角的操纵手柄和紧急控制按钮，控制指令包括紧急控制指令、操控台遥控指令和自主区域保持任务指令，其中，优先级从高到低依次为紧急控制指令、操控台遥控指令和自主区域保持任务指令。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，所述艇端控制系统包括主控制计算机、供配电单元、导航设备、气象站、推进器和摄像机；其中，主控制计算机均与供配电单元、导航设备、气象站、推进器和摄像机相连接；供配电单元分别给主控制计算机、导航设备、气象站、推进器和摄像机供电；导航设备、气象站、推进器和摄像机采集得到无人艇运动状态；区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，同时将无人艇综合信息回传至远端遥控系统；其中，主控制计算机包括环境最优定位控制器。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，所述无线通讯链路包括远端数传电台、艇端数传电台、远端图传电台和艇端图传电台；其中，远端数传电台和艇端数传电台相连接构成数传链路；远端图传电台和艇端图传电台构成图传链路；控制计算机采集显控台下发的控制指令并通过数传链路发送至艇端控制系统；艇端控制系统将视频监控画面通过图传链路回传给所述控制计算机。
上述水面无人艇区域保持控制方法中，所述环境最优定位控制器由纵荡控制器、艏摇控制器和悬链点更新律组成，其中纵荡控制器和艏摇控制器共同作用使无人艇获得环境最优艏向，即船艏顶向环境合力来向；悬链点更新律能够实现无人艇的定位控制；以上三者相结合即可保证无人艇以环境最优艏向实现定位。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，所述环境最优定位控制器的设计步骤为：步骤一：设计纵荡控制器，使无人艇能够从任意初始位置运动至并保持在以悬链点Pc为虚拟圆心、以rc为虚拟半径的圆上；步骤二：设计艏摇控制器，使无人艇在虚拟圆上运动的同时保持船的艏向正对虚拟圆心；步骤三：设计悬链点Pc的更新律，即通过限制悬链点在以期望位置Pd为圆心，以rc为半径的圆上运动，最终实现无人艇以最优艏向定位在Pd点；其中，期望位置Pd即为区域保持中心O，半径rc小于区域半径R。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，无人艇到悬链点Pc的距离p为：
Figure BDA0002541991170000031
其中，nc为北东坐标系中的悬链点Pc的北向位置，ec为北东坐标系中的悬链点Pc的东向位置；n为北东坐标系中的无人艇的北向位置，e为北东坐标系中的无人艇的东向位置，
无人艇的期望纵向速度ud为：
ud＝umaxtanh((p-rc)/Δu)；
其中，umax为无人艇的最大纵向速度，Δu为预设参数；
环境最优定位控制器的纵荡控制器设计为：
Figure BDA0002541991170000041
其中，τu为纵荡控制器的输出，Kp,x、Kd,x和Ki,x分别为比例系数、微分系数和积分系数，u为无人艇的纵向速度；
Figure BDA0002541991170000042
其中，ε为径向距离误差阈值，x为无人艇的纵向位置，t为时间；
无人艇的期望艏向角ψc为：
ψc＝arctan2(ec-e,nc-n)；
无人艇的期望转艏角速度rd为：
rd＝rmaxtanh((ψc-ψ)/Δr)，其中，
rmax为无人艇的最大转艏角速度，Δr>0为设计参数；
则环境最优定位控制器的艏摇控制器设计为：
τr＝Kd,ψ(rd-r)，其中，τr为艏摇控制器的输出，Kd,ψ为微分系数，r为实际转艏速度；
悬链点的坐标可按如下更新律更新：
nc＝nd+rccosψd，ec＝ed+rcsinψd，其中，ψd是期望位置Pd朝向悬链点Pc的方位角。
上述水面无人艇区域保持控制系统中，所述区域保持控制策略为：在目标工作区域内设定一个以目标点O为圆心，以rc为半径的圆形安全区域，若无人艇最初自由运动在安全区域内，则推进器不运行或怠速运行，无人艇只在环境力作用下自由运动，一旦检测到无人艇位置超出安全区域，则推进器开始工作，在环境最优定位控制器的作用下调整艏向和速度重新返回安全区域内指定期望位置，当判定到达该期望位置，推进器停止工作或切换至怠速运行，无人艇在环境力作用下继续开始自由运动；其中，0<rc<R。
一种水面无人艇区域保持控制方法，所述方法包括如下步骤：远端遥控系统的显控台设置无人艇的区域保持控制任务参数，通过无线通讯链路发送至艇端控制系统；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径R；艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则艇端控制系统的环境最优定位控制器根据接收的区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，从而实现无人艇始终保持在预设工作区域内，无人艇的运动状态也将实时回传至远端遥控系统的显控台；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径R。
上述水面无人艇区域保持控制方法中，所述环境最优定位控制器由纵荡控制器、艏摇控制器和悬链点更新律组成，其中纵荡控制器和艏摇控制器共同作用使无人艇获得环境最优艏向，即船艏顶向环境合力来向；悬链点更新律能够实现无人艇的定位控制；以上三者相结合即可保证无人艇以环境最优艏向实现定位。
上述水面无人艇区域保持控制方法中，所述环境最优定位控制器的设计步骤为：
步骤一：设计纵荡控制器，使无人艇能够从任意初始位置运动至并保持在以悬链点Pc为虚拟圆心、以rc为虚拟半径的圆上；
步骤二：设计艏摇控制器，使无人艇在虚拟圆上运动的同时保持船的艏向正对虚拟圆心；
步骤三：设计悬链点Pc的更新律，即通过限制悬链点在以期望位置Pd为圆心，以rc为半径的圆上运动，最终实现无人艇以最优艏向定位在Pd点；其中，期望位置Pd即为区域保持中心O，半径rc小于区域半径R。
上述水面无人艇区域保持控制方法中，无人艇到悬链点Pc的距离p为：
Figure BDA0002541991170000051
其中，nc为北东坐标系中的悬链点Pc的北向位置，ec为北东坐标系中的悬链点Pc的东向位置；n为北东坐标系中的无人艇的北向位置，e为北东坐标系中的无人艇的东向位置，
无人艇的期望纵向速度ud为：
ud＝umaxtanh((p-rc)/Δu)；
其中，umax为无人艇的最大纵向速度，Δu为预设参数；
环境最优定位控制器的纵荡控制器设计为：
Figure BDA0002541991170000061
其中，τu为纵荡控制器的输出，Kp,x、Kd,x和Ki,x分别为比例系数、微分系数和积分系数，u为无人艇的纵向速度；
Figure BDA0002541991170000062
其中，ε为径向距离误差阈值，x为无人艇的纵向位置，t为时间；
无人艇的期望艏向角ψc为：
ψc＝arctan2(ec-e,nc-n)；
无人艇的期望转艏角速度rd为：
rd＝rmaxtanh((ψc-ψ)/Δr)，其中，
rmax为无人艇的最大转艏角速度，Δr>0为设计参数；
则环境最优定位控制器的艏摇控制器设计为：
τr＝Kd,ψ(rd-r)，其中，τr为艏摇控制器的输出，Kd,ψ为微分系数，r为实际转艏速度；
悬链点的坐标可按如下更新律更新：
nc＝nd+rccosψd，ec＝ed+rcsinψd，其中，ψd是期望位置Pd朝向悬链点Pc的方位角。
上述水面无人艇区域保持控制方法中，所述区域保持控制策略为：在目标工作区域内设定一个以目标点O为圆心，以rc为半径的圆形安全区域，若无人艇最初自由运动在安全区域内，则推进器不运行或怠速运行，无人艇只在环境力作用下自由运动，一旦检测到无人艇位置超出安全区域，则推进器开始工作，在环境最优定位控制器的作用下调整艏向和速度重新返回安全区域内指定期望位置，当判定到达该期望位置，推进器停止工作或切换至怠速运行，无人艇在环境力作用下继续开始自由运动；其中，0<rc<R。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明有较强的通用性，控制系统中的远端遥控系统包括但不限于岸基显控台、车载显控台以及便携式遥控站；艇端控制系统包括但不限于工控机、单片机；无线通讯链路为常见的数传电台和高清图像电台。控制器中不需要横向推力，因此同时适用于全驱动无人艇和欠驱动无人艇。
(2)本发明利于工程实现，控制器的设计不依赖于船舶模型，因此不受艇型限制，同时也无需测量复杂环境力，控制器设计所需测量参数只有无人艇的最大纵向速度和最大转艏角速度以及风向角，以上参数往往便于获取，另外控制器控制系数少，便于调节。
(3)本发明能有效节省能源，降低执行机构损耗，环境最优定位控制器能使无人艇以环境最优艏向实现定位，从而只需提供前向推力抵消环境力，其次，区域保持的间断控制策略也能避免推进器一直工作，从而降低损耗。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是无人艇区域保持控制系统整体框图。
图2是远端遥控系统控制流程图。
图3是艇端控制系统控制流程图。
图4是无人艇环境最优定位控制示意图
图5是无人艇区域保持控制策略示意图。
图6是无人艇区域保持控制流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为实现水面无人艇区域保持控制，本发明提出了一种水面无人艇区域保持控制系统及方法。
如图1所示一种水面无人艇区域保持控制系统包括远端遥控系统、艇端控制系统以及连接远端遥控系统和艇端控制系统的无线通讯链路。
远端遥控系统由供电设备、控制计算机、显控台组成，其中供电设备为遥控系统提供稳定不间断电源，保障系统正常工作；控制计算机与显控台和无线电台设备连接，采集显控台下发的控制指令经处理后通过无线通讯链路发送至艇端控制系统，同时接收由艇端控制系统反馈的无人艇综合信息，将其处理并显示于显示器上；显控台由显示器和操控台两部分组成，显示器显示内容主要包括视频画面监控、航行状态监测和控制指令三部分，操控台设有用于遥控无人艇启停、前进倒退、油门和舵角的操纵手柄和紧急控制按钮，显控台控制指令的优先级从高到低依次为紧急控制指令、操控台遥控指令和自主区域保持任务指令。远端遥控系统的控制流程如图2所示。
艇端控制系统由主控制计算机、供配电单元、导航设备、气象站、推进器、摄像机、任务载荷和艇端无线电台组成，主控制计算机与其他各设备相连将接收到的控制指令和采集到的综合信息进行处理，求解控制输出发送至推进器，同时将无人艇综合信息回传至远端遥控系统。艇端控制系统的控制流程如图3所示，艇端控制系统优先响应接收到的紧急控制指令，其次响应区域保持控制任务。
无线通讯链路包括数传链路和图传链路，数传链路用于传输下发的控制指令和回传的无人艇状态，图传链路用于传输艇端回传的视频监控画面，同时作为数传中断后的备用通讯链路。
本发明所述的一种水面无人艇区域保持控制系统的控制方法包括以下三个控制步骤：
任务设置下发：在远端遥控系统显控台的人机交互界面中设置区域保持的目标中心O和区域半径R，通过无线通讯链路发送至艇端控制系统；
任务实现：艇端控制系统接收远端遥控系统下发的区域保持控制任务参数并实时采集无人艇的综合状态信息，通过区域保持控制器实时求解更新无人艇具体控制指令，并发送至无人艇的推进器，以实现无人艇的自动区域保持功能；
任务状态回传显示：艇端控制系统将实时采集的无人艇综合信息通过无线链路回传至远端遥控系统，无人艇的运动状态、设备状态以及任务状态信息在艇端控制系统显控台上显示；
区域保持控制器由环境最优定位控制器和区域保持控制策略组成。
环境最优定位控制器由纵荡控制器、艏摇控制器和悬链点更新律组成，如图4环境最优定位控制示意图所示，其中纵荡控制器和艏摇控制器共同作用使无人艇获得环境最优艏向，即船的艏向顶向环境合力来向；悬链点更新律能够实现无人艇的定位控制；以上三者相结合即可保证无人艇以环境最优艏向实现定位。
环境最优定位控制器的设计步骤为：
第一步：设计纵荡控制器，使无人艇从任意初始位置运动至并保持在以悬链点Pc为虚拟圆心、以rc为虚拟半径的圆上；
第二步：设计艏摇控制器，使无人艇在虚拟圆上运动的同时保持船艏正对虚拟圆心；
第三步：设计悬链点Pc的更新律，即通过限制悬链点在以期望位置Pd为圆心，以rc为半径的圆上运动，最终实现无人艇以最优艏向定位在Pd点。
环境最优定位控制器的设计具体包括：
利用如下公式求得无人艇到悬链点Pc的距离p：
Figure BDA0002541991170000101
式中nc,ec分别为悬链点Pc的北东位置，n,e分别为无人艇的北东位置。
按如下公式设计无人艇的期望纵向速度ud：
ud＝umaxtanh((p-rc)/Δu)，式中umax为无人艇的最大纵向速度，Δu>0为设计参数。
则环境最优定位控制器的纵荡控制器设计为：
Figure BDA0002541991170000103
其中Kp,x、Kd,x和Ki,x分别为比例系数、微分系数和积分系数，为防止积分饱和，/>
Figure BDA0002541991170000102
其中ε>0为径向误差阈值。
利用如下公式求得无人艇的期望艏向角ψc：
ψc＝arctan2(ec-e,nc-n)
按如下公式设计无人艇的期望转艏角速度rd：
rd＝rmaxtanh((ψc-ψ)/Δr)，其中rmax为无人艇的最大转艏角速度，Δr>0为设计参数。
则环境最优定位控制器的艏摇控制器设计为：
τr＝Kd,ψ(rd-r)，其中Kd,ψ为微分系数。
悬链点的坐标可按如下更新律更新：
nc＝nd+rccosψd，ec＝ed+rcsinψd，式中ψd是期望位置Pd朝向悬链点Pc的方位角，ψd只需以适当速率跟踪期望艏向角ψc即可。
区域保持控制策略如图5所示，在以目标点O为圆心，以R为半径的橙色目标工作区域内设定一个以目标点O为圆心，以Rc(0<Rc<R)为半径的绿色圆形安全区域，若无人艇最初自由运动在安全区域内，则推进器不运行，无人艇只在环境力作用下自由运动；一旦检测到无人艇运动超出安全区域，则推进器开始工作，使无人艇调整艏向和速度重新返回安全区域内指定期望位置，为最大程度增长无人艇在安全区域内自由运动的时间，期望位置Pd选为安全区域边界上一点，该点满足从Pd指向O的方向与风向角相同。当判定无人艇到达该期望位置，推进器停止工作，无人艇在环境力作用下继续开始自由运动，重复上述过程。区域保持控制流程图如图6所示。
操控人员在远端遥控系统的显控台设置无人艇的区域保持中心坐标和区域保持半径，通过无线通讯链路下发至艇端控制系统，艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则环境最优定位控制器根据接收的任务参数和采集的无人艇运动状态以及风向角求解控制输出指令发送至推进器，从而实现无人艇始终保持在指定工作区域内，无人艇的综合信息也将实时回传至远端遥控系统的显控台供操作人员监控。
本发明有较强的通用性，控制系统中的远端遥控系统包括但不限于岸基显控台、车载显控台以及便携式遥控站；艇端控制系统包括但不限于工控机、单片机；无线通讯链路为常见的数传电台和高清图像电台。控制器中不需要横向推力，因此同时适用于全驱动无人艇和欠驱动无人艇。
本发明利于工程实现，控制器的设计不依赖于船舶模型，因此不受艇型限制，同时也无需测量复杂环境力，控制器设计所需测量参数只有无人艇的最大纵向速度和最大转艏角速度以及风向角，以上参数往往便于获取，另外控制器控制系数少，便于调节。
本发明能有效节省能源，降低执行机构损耗，环境最优定位控制器能使无人艇以环境最优艏向实现定位，从而只需提供前向推力抵消环境力，其次，区域保持的间断控制策略也能避免推进器一直工作，从而降低损耗。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种水面无人艇区域保持控制系统，其特征在于包括：远端遥控系统、艇端控制系统以及连接远端遥控系统和艇端控制系统的无线通讯链路；其中，
远端遥控系统设置无人艇的区域保持控制任务参数，将区域保持控制任务参数通过无线通讯链路下发至艇端控制系统，艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则艇端控制系统的环境最优定位控制器根据接收的区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，从而实现无人艇始终保持在预设工作区域内，无人艇的运动状态也将实时回传至远端遥控系统的显控台；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径R；
所述远端遥控系统包括供电设备、控制计算机和显控台；其中，
供电设备为控制计算机和显控台提供稳定不间断电源，保障系统正常工作；控制计算机与显控台和无线通讯链路连接，控制计算机采集显控台下发的控制指令并通过无线通讯链路发送至艇端控制系统，控制计算机同时接收由艇端控制系统反馈的无人艇状态信息，并将无人艇运动状态显示于显示器上；
显控台设置无人艇的区域保持控制任务参数；
显控台包括第一显示器和操控台，其中，操控台设置无人艇的区域保持控制任务参数，第一显示器用于显示无人艇的区域保持控制任务参数；
所述艇端控制系统包括主控制计算机、供配电单元、导航设备、气象站、推进器和摄像机；其中，
主控制计算机均与供配电单元、导航设备、气象站、推进器和摄像机相连接；
供配电单元分别给主控制计算机、导航设备、气象站、推进器和摄像机供电；
导航设备、气象站、推进器和摄像机采集得到无人艇运动状态；
区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，同时将无人艇综合信息回传至远端遥控系统；其中，
主控制计算机包括环境最优定位控制器；
所述无线通讯链路包括远端数传电台、艇端数传电台、远端图传电台和艇端图传电台；其中，
远端数传电台和艇端数传电台相连接构成数传链路；远端图传电台和艇端图传电台构成图传链路；
控制计算机采集显控台下发的控制指令并通过数传链路发送至艇端控制系统；
艇端控制系统将视频监控画面通过图传链路回传给所述控制计算机。
2.一种水面无人艇区域保持控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
远端遥控系统的显控台设置无人艇的区域保持控制任务参数，通过无线通讯链路发送至艇端控制系统；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径R；
艇端控制系统实时监测无人艇运动状态，按照区域保持策略判断是否需要进行区域保持，若需要则艇端控制系统的环境最优定位控制器根据接收的区域保持控制任务参数和采集的无人艇运动状态得到控制输出指令发送至推进器，从而实现无人艇始终保持在预设工作区域内，无人艇的运动状态也将实时回传至远端遥控系统的显控台；其中，区域保持控制任务参数包括区域保持中心O和区域半径；
所述环境最优定位控制器由纵荡控制器、艏摇控制器和悬链点更新律组成，其中纵荡控制器和艏摇控制器共同作用使无人艇获得环境最优艏向，即船艏顶向环境合力来向；悬链点更新律能够实现无人艇的定位控制；
所述环境最优定位控制器的设计步骤为：
步骤一：设计纵荡控制器，使无人艇能够从任意初始位置运动至并保持在以悬链点Pc为虚拟圆心、以rc为虚拟半径的圆上；
步骤二：设计艏摇控制器，使无人艇在虚拟圆上运动的同时保持船的艏向正对虚拟圆心；
步骤三：设计悬链点Pc的更新律，即通过限制悬链点在以期望位置Pd为圆心，以rc为半径的圆上运动，最终实现无人艇以最优艏向定位在Pd点；其中，期望位置Pd即为区域保持中心O，半径rc小于区域半径R；
所述区域保持控制策略为：在目标工作区域内设定一个以目标点O为圆心，以rc为半径的圆形安全区域，若无人艇最初自由运动在安全区域内，则推进器不运行或怠速运行，无人艇只在环境力作用下自由运动，一旦检测到无人艇位置超出安全区域，则推进器开始工作，在环境最优定位控制器的作用下调整艏向和速度重新返回安全区域内指定期望位置，当判定到达该期望位置，推进器停止工作或切换至怠速运行，无人艇在环境力作用下继续开始自由运动；其中，0＜rc＜R。
3.根据权利要求2所述的水面无人艇区域保持控制方法，其特征在于：
无人艇到悬链点Pc的距离p为：
Figure FDA0004231236060000031
其中，nc为北东坐标系中的悬链点Pc的北向位置，ec为北东坐标系中的悬链点Pc的东向位置；n为北东坐标系中的无人艇的北向位置，e为北东坐标系中的无人艇的东向位置，
无人艇的期望纵向速度ud为：
ud＝umaxtanh((p-rc)/Δu)；
其中，umax为无人艇的最大纵向速度，Δu为预设参数；
环境最优定位控制器的纵荡控制器设计为：
Figure FDA0004231236060000032
其中，τu为纵荡控制器的输出，Kp,x、Kd,x和Ki,x分别为比例系数、微分系数和积分系数，u为无人艇的纵向速度；
Figure FDA0004231236060000041
其中，ε为径向距离误差阈值，x为无人艇的纵向位置，t为时间；
无人艇的期望艏向角ψc为：
ψc＝arctan2(ec-e,nc-n)；
无人艇的期望转艏角速度rd为：
rd＝rmaxtanh((ψc-ψ)/Δr)，其中，
rmax为无人艇的最大转艏角速度，Δr＞0为设计参数；
则环境最优定位控制器的艏摇控制器设计为：
τr＝Kd,ψ(rd-r)，其中，τr为艏摇控制器的输出，Kd,ψ为微分系数，r为实际转艏速度；
悬链点的坐标可按如下更新律更新：
nc＝nd+rccosψd，ec＝ed+rcsinψd，其中，ψd是期望位置Pd朝向悬链点Pc的方位角。
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