[发明专利]一种用于无人表面船的自主轨迹追踪融合控制方法

说明书

本发明公开了一种用于无人表面船的自主轨迹追踪融合控制方法，该方法具体包括：利用电场模型和快速匹配算法产生的方向趋势和弹性距离来设计控制器的避碰约束和目标函数；重新构建模型预测控制算法的架构，形成新型融合控制方法；采用CasADi方法进行快速优化，实时避碰的同时实现轨迹跟踪目标，在兼顾效率和精度的前提下获得平滑且冗余较少的无碰撞追踪轨迹，并通过仿真对比验证，分析轨迹和状态调整效果，得到了良好的控制性能，对多船环境下的轨迹追踪控制实践具有指导意义。

技术领域

本发明涉及轨迹追踪融合控制领域，具体为一种用于无人表面船的自主轨迹追踪融合控制方法。

背景技术

无人表面船的轨迹控制是决定自主导航效果的关键因素，主要衡量轨迹的平滑度、角度可达性、姿态波动、追踪时间等。在实际航行中，还需考虑周围船舶的避碰问题，以便动态调整航行轨迹，适应多船的复杂环境。目前，针对无人表面船在轨迹追踪中遇到的船舶避碰问题，虽然已经出现很多算法，但大多算法在工程中很难实现，因此算法的实用性和可达性受到了越来越多的关注。

现有的文献中大都是习惯将避碰轨迹规划和轨迹追踪控制分为两部分研究，即以全局或局部路径规划为追踪参数，结合适当的控制算法设计控制率，实现轨迹追踪和导航，但由于其控制参数与规划状态之间的弱耦合性和相关性，特别是对于实时避碰场景，增加了目标复杂度，降低了控制的可达性，虽然也有一些关于避碰因素与控制算法的融合方案，然而仅仅是通过设置固定的避碰区域范围来进行设计，缺乏具体的避碰趋势规划。因此，针对轨迹追踪中避碰规划设计与控制算法执行时相互不协调和控制算法可达性的问题，本发明提出了场论规划与模型预测控制算法的融合框架，同时兼顾轨迹平滑性和避碰约束的弹性化，以获得复杂环境下可实现的无碰撞追踪轨迹，实现控制效率和路径损失间的平衡，满足算法的工程应用实现和控制可达性。

发明内容

本发明通过设计基于电场模型的快速行进方法，获得避碰规划的方向趋势，并结合弹性距离，重构模型预测控制方法的算法结构和约束系统，在船舶参数和避碰约束下，生成最优轨迹追踪控制器，此融合框架增强轨迹规划与控制行为间的耦合关系，减少船舶操纵参数的冗余影响，协调参数的状态变化，简化避碰规划的复杂性，实现多船避碰环境下的船舶自主轨迹追踪控制。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明公开了一种用于无人表面船的自主轨迹追踪融合控制方法，该方法具体包括：

1)船舶操纵运动模型的建立

根据系统形式，得到模型：

其中，s＝[u,v,r]^T,τ＝[τ_u,0,τ_r]^T，u,v,r分别为纵向、横向和艏摇速度，x和y分别为船舶的横向、纵向的位置，是航向角，τ_u是纵向推力，τ_r艏摇力矩，m₁₁,m₂₂,m₃₃为惯性分量，d₁₁,d₂₂,d₃₃为阻尼分量。

上述模型描述了船舶追踪控制的操纵模型，通过对输入量τ的控制，得到对轨迹速度和位置的调整情况，当遇到其他障碍船舶时需将避碰规划得到的调整反映到轨迹控制中。

2)轨迹追踪融合控制框架设计

将上述系统模型离散化，另x＝[s,η]^T，u＝τ,则x(k+1)＝f_d(x(k),u(k))，基于模型预测控制和场模型避碰规划融合的轨迹优化目标函数如下：