[发明专利]自主水下航行器平面直线航线跟踪的智能S面制导控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种自主水下航行器的控制方法，具体地说是一种欠驱动自主水下航行 器对平面直线航线跟踪的智能S面制导控制方法。

背景技术

水平面直线航线跟踪控制具有很强的应用背景，是自主水下航行器完成调查型任务以及 远程航行的重要控制手段。依据文献《Fine-scale seafloor survey in rugged deep-ocean terrain with an autonomous robot》(IEEE International Conference on Robotics and Automation，2000) 及网站http://waittinstitute.org/wi-archive/cat-1-reefs/所述，美国的伍兹霍尔研究所利用不同的 载体进行了区域搜索式的作业，实现了对不同海区的水下目标探测、海底地形数据采集等工 作。在上述应用中，区域搜索式作业中水下航行器行进的路径形式均为梳状路径。

根据水下航行器操纵性知识，关于纵中剖面对称的水下航行器在无操纵力作用下的运动 具有直线稳定性，无方向稳定性和航线稳定性。因此需要包含推进器及操纵面等执行机构的 控制系统介入，才能保证水下航行器的直线航线跟踪从而进行可靠地水下航行作业。 《Intelligent PID guidance control for AUV path tracking》(J.Cent.South Univ.2015，第22卷) 描述了一种智能PID制导控制方法，控制水下航行器进行水平面直线航线跟踪控制，通过目 标航线更替完成梳状路径形式的区域搜索。控制方法经过了充分的试验验证，并结合探测装 置成功应用于海中的目标标定。与以往虚拟目标点形式的输出不同(《具有PID反馈增益的自 主水下航行器三维直线路径跟踪控制方法》，中国发明专利，2012)，这种制导控制方法采用 参考艏向角作为控制输出，避免了虚拟目标点的“不可达”、海流作用下存在稳态偏差问题， 且参考艏向角更容易被执行层的状态控制器理解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效抵抗海流干扰，稳定、精确地跟踪，适用于欠驱动 自主水下航行器进行远程航行及调查类任务的自主水下航行器平面直线航线跟踪的智能S面 制导控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：依据航行器当前位置信息判断是否更新跟踪目标；

步骤二：获取决定当前目标直线航线的两个关键路径点的信息；

步骤三：依据航行器自身位置以及目标航线信息，计算位置的横向偏差；

步骤四：依据偏差的历史变化计算偏差变化率；

步骤五：依据步骤三至四获得的横向偏差及其变化率智能调整S面控制算法的控制参数；

步骤六：以步骤三至四获得的横向偏差及其变化率为输入，采用步骤五获得的控制参数， 经非线性的S面控制率计算参考艏向角，得到控制输出。

本发明的技术要点主要体现在：

1、水下航行器的跟踪目标，具体为当前时刻航行器只有一个目标，且所跟踪的目标是平 面的两个关键点确定的平面直线，描述为关键点T₀(ξ₀,η₀)和T₁(ξ₁,η₁)，以及直线

2、决定当前目标直线的两个关键点T₀和T₁，具体为T₀和T₁为组成航行器路径的关键点序 列p′＝{p′₀,p′₁,p′₂,…,p′_Q}中的相邻两个。

3、水下航行器所跟踪的目标动态特性，具体为依据航行器P_s(ξ_s,η_s)与T₀(ξ₀,η₀)和 T₁(ξ₁,η₁)的相对位置关系更新关键点，从而实现目标航线的更替，定义判据

如果κ≤0，则更新关键点。

4、计算载体与目标直线段之间横向偏差P_e，包含以下步骤：

步骤一：计算横向距离，即偏差绝对值，公式如下：