一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统及方法，控制系统包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，所述数据采集单元获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；所述动力控制单元控制无人艇的运动。本发明不但能实现欠驱动无人水面艇的直线路径跟踪，而且还能实现折线路径跟踪，使得无人水面艇更能满足航海实践中的路径跟踪要求。

权利要求

1.一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统，其特征在于：包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，所述数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；

所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；

所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪算法是在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径；

所述动力控制单元控制无人艇的运动。

2.根据权利要求1所述的无人水面艇折线路径跟踪控制系统，其特征在于：所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。

3.根据权利要求1或2所述的无人水面艇折线路径跟踪控制系统，其特征在于：所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。

4.一种无人水面艇折线路径跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、采用数据采集单元获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角信息，数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块；

S2、采用路径跟踪算法模块计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪算法 是在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径；

S3、运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块；

S4、动力控制模块控制无人水面艇的航向。

说明书

一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于智能无人艇技术领域，涉及一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统及方法。

背景技术

[0002] 无人水面艇是基于远程通信技术和自动控制技术实现的一种自动化无人操作船艇，它可以代替人类在复杂海洋环境中执行各种任务。无人水面艇具有机动性强、便于隐蔽、可搭载在其他舰艇上等优点，可以应用于搜索、救援、监视、侦察、探测、海洋测绘和地质取样等。路径跟踪是实现无人水面艇的自动化与智能化的关键技术之一，该问题的实现对无人水面艇技术的发展有着重要的意义。

[0003] 过去几年，无人水面艇的跟踪控制问题一直备受相关领域研究团体的广泛关注。如公开号为CN103760902A(公开日为2014年4月30日)的专利公开了一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，无人水面艇的起点不必在目标轨迹上，可任意初始航向角，能跟踪任意直线路径，并且避免了PID算法出现的大超调想象和大迂回现象，但是该专利提出的方法未考虑无人水面艇输入饱和的情况。Z.Zheng等(Z.Zheng and L.Sun,"Path following control for marine surface vessel with uncertainties and input saturation,"Neurocomputing)基于反步自适应径向基函数神经网络，提出了一中鲁棒自适应的无人水面艇路径跟踪控制方法，该方法未考虑对更加实用的不规则折线路径的跟踪。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种不但能实现无人水面艇的直线路径跟踪，而且还能实现折线路径跟踪，使得无人水面艇更能满足航海实践中的路径跟踪要求的无人水面艇折线路径跟踪控制系统及方法。

[0005] 本发明所采用的技术方案为：一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统，其特征在于：包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，

[0006] 所述数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；

[0007] 所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；

[0008] 所述动力控制单元控制无人艇的运动。

[0009] 按上述技术方案，所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。

[0010] 按上述技术方案，所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略以carrot chasing(基于虚拟目标的路径跟踪方法)直线路径跟踪算法为基础，在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，并且在考虑输入饱和和时变干扰的前提下设计恰当的虚拟目标点的更新规则；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。

[0011] 按上述技术方案，所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。

[0012] 本发明还提供了一种无人水面艇折线路径跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、采用数据采集单元获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角信息，数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块；

[0013] S2、采用路径跟踪算法模块计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差；

[0014] S3、运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块；

[0015] S4、动力控制模块控制无人水面艇的航向。

[0016] 按上述技术方案，所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略以carrot chasing(基于虚拟目标的路径跟踪方法)直线路径跟踪算法为基础，在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，虚拟目标点随无人水面艇的位置变化而不断地按照规则更新；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。

[0017] 本发明所取得的有益效果为：

[0018] 本发明的有益效果是：

[0019] 1、本发明不但能实现欠驱动无人水面艇的直线路径跟踪，而且还能实现折线路径跟踪，使得无人水面艇更能满足航海实践中的路径跟踪要求；

[0020] 2、综合考虑无人水面艇的操纵性能与路径跟踪算法的特点，通过集成制导、航行与控制以实现欠驱动无人水面艇的路径跟踪问题；

[0021] 3、折线路径跟踪策略可以使无人水面艇在转向时提前打舵，避免了转向时出现的大迂回现象；

[0022] 4、本发明提供的方法考虑了输入饱和和时变干扰情况，提高了无人水面艇跟踪路径过程中的安全性和抗干扰性。

附图说明

[0023] 图1为本发明的原理框图。

[0024] 图2为喷水推进器机械结构图。

[0025] 图3为无人水面艇三自由度模型图。

[0026] 图4为直线路径跟踪图。

[0027] 图5为折线路径跟踪策略图。

[0028] 图6为无人水面艇模型原理图。

[0029] 图7为仿真实验跟踪轨迹图。

[0030] 图8为仿真实验轨迹偏差图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0032] 如图1所示，本实施例提供了一种无人水面艇折线路径跟踪控制系统，包括数据采集单元、数据处理单元、动力控制单元，

[0033] 所述数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块，所述GPS接收模块和地磁感应模块分别获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角并输出给数据处理单元；

[0034] 所述数据处理单元包括路径跟踪算法模块和运动控制算法模块，所述路径跟踪算法模块将计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差，并将偏差输出给运动控制算法模块，所述运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差得出控制命令，并将控制命令传输给动力控制单元；

[0035] 所述路径跟踪算法模块包括直线路径跟踪算法和折线路径跟踪算法，所述直线路径跟踪策略以carrot chasing直线路径跟踪算法为基础，在预设路径中加入动态变化的虚拟目标点，控制无人水面艇朝虚拟目标点靠近，并且在考虑输入饱和和时变干扰的前提下设计恰当的虚拟目标点的更新规则；所述折线路径跟踪算法在无人水面艇跟踪到一段直线路径尾端时，若虚拟目标点不在这段直线路径上，则无人水面艇开始跟踪下一段直线路径上。

[0036] 所述运动控制算法模块可以根据无人水面艇和预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块。

[0037] 所述动力控制单元包括舵机控制模块、伺服舵机和喷水推进器，所述舵机控制模块接收数据处理单元输出的控制命令，产生电信号发送给伺服舵机和喷水推进器，所述伺服舵机受电信号激励转动，带动无人水面艇的喷水嘴摆动，进而使无人水面艇转向，所述喷水推进器受电信号激励快速运转，为无人水面艇提供动力。

[0038] 本发明还提供了一种无人水面艇折线路径跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

[0039] S1、采用数据采集单元获取无人水面艇的经纬度信息和艏向角信息，数据采集单元包括GPS接收模块和地磁感应模块；

[0040] S2、采用路径跟踪算法模块计算出无人水面艇与预设路径之间的偏差；

[0041] S3、运动控制算法模块根据无人水面艇与预设路径之间的偏差，判断无人水面艇的运动状态调整方式，并得出控制命令输出给动力控制模块；

[0042] S4、动力控制模块控制无人水面艇的航向。

[0043] 其具体跟踪方法如下：

[0044] 采用喷水推进的无人水面艇的机械结构如图2所示，Se为负责转向操作的舵机。O是无人水面艇的重心。舵机控制角度η与喷水口角度δ之间的关系：

[0045]

[0046] 式中，l1与l2分别表示舵机与喷水嘴摆动头连接杆的长度。假设δ∈[-π/3,π/3]，若要使舵机与喷水推进器之间连接杆的形变可忽略不计，只需使η→0，又有故只需使l2＜＜l1，即可让舵机与喷
水推进器之间连接杆的形变忽略不计。

[0047] 控制对象：

[0048] 无人水面艇的运动模型如附图3所示，在忽略横摇、纵摇、垂荡等运动的前提下，无人水面艇的运动过程可以在平面中描述为一个三自由度模型，三自由度分别表现为的船舶纵荡、横荡、艏摇运动。ζEξ坐标系是大地坐标系，ζ轴指向大地北方，ξ轴指向大地东方，xoy坐标系是船体坐标系，x轴指向船体正前方，y轴指向船体右侧方向。通过对所构建的坐标系进行分析，可以得出下面的无人水面艇运动模型

[0049]

[0050] 式中，m是无人水面艇的质量；Izz是无人水面艇的绕船体坐标系原点的转动惯量； (xG,yG)是无人水面艇在船体坐标系中的重心；X∑，Y∑，N∑分别是无人水面艇系统在(x,y)轴方向受到的平移作用力和艏摇受到的力；u，v，γ分别是无人水面艇沿(x,y)轴方向的纵荡和横荡速度和艏摇速度， 为其对应的导数；V是无人水面艇在大地坐标系中的速度，Vξ，Vζ分别为无人水面艇在大地坐标系中沿ξ轴和ζ轴的速度， 为其对应的导数。

[0051] 虚拟目标点的更新规则：

[0052] 无人水面艇直线路径跟踪算法过程如附图4所示，假设Wi与Wi+1两点之间的直线为预设路径，p(x,y)代表无人水面艇当前位置， 代表无人水面艇当前的艏向角，Δ为漂角，ψ为无人艇的航向角，q(xq,yq)点是无人水面艇的位置p点在直线WiWi+1上的投影。无人水面艇距离预设路径的垂直距离即q和p两点之间的距离是d，s点是虚拟目标点。q和s之间的距离是λ，λ由使用者自定义。分析附图3，可以得出下列参数之间的关系式：

[0053]

[0054] 式中，||Wi-p||表示Wi点与p点之间的欧拉距离，||p-q||为p点和q点之间的欧拉距离，d为路径跟踪误差值，即无人水面艇与预设路径之间的距离。当存在时变漂角时，Δ(t)≠0，通过下面的控制规则，可以消除时变漂角的影响。

[0055]

[0056] 虚拟目标点s(xt,yt)的坐标按照如下规则更新：

[0057]

[0058] 虚拟目标点s(xt,yt)的位置是随无人艇的位置实时更新的，在存在输入饱和的情况下，无人艇不会因为输入达到饱和状态而无法跟踪s点，克服了输入饱和的情况。

[0059] 折线路径跟踪转向算法：

[0060] 如附图5所示，在无人水面艇直线路径跟踪策略的基础上，当无人水面艇航行到转向点B附近时，通过计算得出的虚拟目标点的位置，若虚拟目标点超出了AB 的范围，则无人水面艇开始跟踪BC段路径。

[0061] 仿真实验：

[0062] 为验证本发明的有效性，以附图6所示的喷水推进无人水面艇为仿真对象对本发明进行了仿真。为了让仿真的结果能具有更高的可信度，排除偶然性，设计了三组预设路径。仿真实验中设置T＝3N， m＝30kg,m＝30kg,λ＝3m,δ∈[-π/3,π/3]，采样间隔Δt取为一秒。附图 7展示了直线路径跟踪方法和本发明提出的折线路径跟踪方法两种方案的水平面的路径跟踪曲线。

[0063] 附图8展示了直线路径跟踪方法和本发明提出的折线路径跟踪方法两种方案的跟踪偏差曲线，可看出，本发明的仿真结果明显优于直线路径跟踪方法。表明本发明提出的折线路径跟踪控制方法比经典路径点跟踪方法更适宜于无人水面艇路径跟踪控制。