[发明专利]一种上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法

说明书

本发明提供一种上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法。波浪滑翔器的舵机安装于潜体，舵机由主计算机控制，可直接控制潜体的转向，浮体的转向由潜体的拖曳力提供。浮体与潜体分别安装一个艏向传感器，测量浮体艏向ψ_F，潜体艏向ψ_G,并传至主计算机，主计算机完成波浪滑翔器浮体潜体的艏向信息融合，结合航行过程中的动态特征修正期望航向角，完成航点跟踪任务。本发明提供的方法能够有效避免波浪滑翔器刚柔多体系联结构特有的柔链缠绕现象，提高波浪滑翔器的航向控制性能，以及风、流等外界干扰力下的航点跟踪能力。

技术领域

上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法是一种针对波浪滑翔器的运动控制方法，在不使用昂贵传感器的前提下能够有效避免波浪滑翔器刚柔多体系联结构特有的柔链缠绕现象，提高波浪滑翔器的航向控制性能，以及风、流等外界干扰力下的航点跟踪能力。

背景技术

波浪滑翔器是一种新型无人海洋探测平台，利用浮体-脐带-潜体结构将海洋波浪能转化为自身的前进动力，同时依靠上甲板搭载的太阳能电池板为各电器负载供电，可以在广阔的海洋上进行长期的路径跟踪和位置保持，还可充当中间站，与其他各类型的探测器进行指令和数据交换，为海洋观测技术提供了新思路，有着十分广阔的发展前景。然而，波浪滑翔器的运动控制是一个难点。

夏威夷大学Kraus发表的论文《Estimation of wave glider dynamics forprecise positioning》中采用PID控制算法进行了波浪滑翔器定位控制。哈尔滨工程大学廖煜雷等发表的论文《The intelligent control system for an unmanned waveglider》中针对海洋环境扰动尤其是海流作用下波浪滑翔器路径跟踪存在的稳态误差问题，提出了一种自适应PID制导律以补偿海流对系统运动的不利影响，并提出了一种改进S面航向控制器，以解决大扰动下弱机动载体的航向控制问题。哈尔滨工程大学卢旭发表的论文《波浪滑翔器总体技术研究》中针对波浪滑翔器的航向控制问题，设计了基于模糊PID技术的控制器。国家海洋技术中心史健等发表的论文《基于多传感器的波浪能滑翔器导航策略研究》中基于高斯大地线算法和PID控制算法，构成了波浪滑翔器导航策略。

然而，上述波浪滑翔器的运动控制方法都有一共同特征，仅单独控制波浪滑翔器的浮体，而非依据波浪滑翔器浮体潜体的艏向信息融合进行整体的运动控制。单独控制波浪滑翔器的浮体或潜体都存在一定缺陷：如果只控制浮体的艏向，由于舵机安装于潜体部分，在外界干扰力作用下浮体达不到期望艏向时，潜体部分持续的舵角将导致潜体持续旋转并导致柔链缠绕现象；如果只控制潜体的艏向，可能出现潜体与浮体艏向角相差过大的情况。浮体转向的力矩来源于柔链的拖曳过程，潜体与浮体艏向角相差过大不利于浮体转向。此外，在风、流等干扰力作用下，波浪滑翔器的航行路径会发生偏移，无法追踪到设置的航迹点，若要精确测量风、流等环境干扰力并针对性地修正控制方法需配备声学多普勒流速剖面仪等价格高昂的传感器，将大幅提高波浪滑翔器的成本。

发明内容

本发明提供一种上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法，用于波浪滑翔器执行航向控制或航点追踪任务时的运动控制。

波浪滑翔器的舵机安装于潜体，舵机由主计算机控制，可直接控制潜体的转向，浮体的转向由潜体的拖曳力提供，特征是浮体与潜体分别安装一个艏向传感器，测量浮体艏向ψ_F，潜体艏向ψ_G,并传至主计算机，主计算机完成波浪滑翔器浮体潜体的艏向信息融合，结合航行过程中的动态特征修正期望航向角，完成航点跟踪任务。

上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法的步骤的特征是：

(1)根据目标位置与当前位置计算理想航向角ψ_LOS；