[发明专利]基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法

摘要

本发明公开了一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法。针对不同船长比对路径跟踪的不同影响，结合模糊控制，提出了可变船长比的直线路径跟踪方法，以距离偏差和距离偏差的变化率作为模糊控制器的输入，以船长比作为模糊控制器的输出，动态的调整船长比，进而调整航向角来调节基于LOS原理跟踪期望航向角αφ的PD控制器的输入输出参数，控制无人艇左右两侧电机的电压，实现在水面横风的环境下，无人水面艇的直线路径跟踪。并通过一种航向修正与误差补偿办法，减小横风环境下路径跟踪的静态误差，提高干扰环境中无人艇直线路径跟踪的效果。

主权项

一种基于可变船长比的抵抗侧风无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：一、建立控制对象：设定大地坐标系XOY，选取合适的虚拟导航点构成直线路径AB，直线路径AB的起点坐标和终点坐标分别为A(X1,Y1)和B(X2,Y2)，无人水面艇重心的坐标为o(X,Y)，(XLOS,YLOS)为直线路径上的虚拟导航点，αk为直线路径的方位，即直线路径与大地坐标Y轴的夹角，β为无人水面艇的漂角，即水面艇的速度矢量与无人水面艇附体坐标系x轴的夹角，h为距离偏差，即无人水面艇到直线路径AB的垂直距离，Δ为无人水面艇的可视距离，即虚拟导航点与无人水面艇在直线路径上的投影点之间的距离，Δ＝n·L，n为船长比，L为艇体长度，无人水面艇跟踪期望航向αφ，即无人水面艇重心和虚拟导航点的连线与大地坐标Y轴之间的夹角，ω为无人水面艇的转动角速度，ψ为无人水面艇的航向，即无人水面艇附体坐标系x轴与大地坐标系Y轴之间的夹角，V为无人水面艇的速度，期望航向由下式求得：αφ＝αk+arctan(‑h/Δ)‑β；二、建立无人水面艇运动模型：式中，XF＝Xwind+Xwave，Xwind和Xwave分别表示风和浪作用在艇体上的力在附体坐标系x轴上分量，XF是合力；YF＝Ywind+Ywave，Ywind和Ywave分别表示风和浪作用在艇体上的力在附体坐标系y轴上分量，YF是合力；NF＝Nwind+Nwave，Nwind和Nwave分别表示风和浪作用在艇体上转向力矩，NF是合力矩，m为无人艇的总质量，d为无人水面艇的宽度，Fl、Fr为艇体左右两侧螺旋桨的推力，fx为沿无人水面艇艇体方向的阻力，fy为横漂时的阻力，fl和fr分别为艇体两侧的阻力，ω为无人水面艇的绕重心的转动角速度，J＝3.6为无人水面艇的转动惯量；kω为无人水面艇转动时的阻尼系数，ur，vr为无人水面艇相对于水流的速度在附体坐标系上的分量；三、设计跟踪期望航向αφ的PD控制器：式中Kp和Kd分别为PD控制器的参数，ψ为无人水面艇的航向，ω为无人水面艇的转动角速度，du为电压偏差值，Ul，Ur分别为无人水面艇左右侧电机的控制电压；四、建立距离偏差h和距离偏差变化率dh的计算模块：对于起点坐标和终点坐标A、B，以及无人艇在t时刻的位置o，A、B、o三点的坐标为A(X1,Y1)，B(X2,Y2)，o(X,Y),采用向量叉乘的方法：其中AB,Ao,i,j,k均为向量，则h＝[(X2‑X1)(Y‑Y1)‑(X‑X1)(Y2‑Y1)]/|AB|，进而推出距离偏差率的计算如下：五、设计模糊控制器：模糊控制器以距离偏差h和距离偏差变化率dh为输入，以船长比n为输出；定义距离偏差h的论域范围为[‑15,15]，h被模糊化为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，模糊子集表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；定义距离偏差变化率dh的论域范围为[‑1.5,1.5]，dh被模糊化为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大},模糊子集表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；定义船长比n的论域范围为[0.5,5]，模糊子集为{PS,PB,PM}；模糊推理规则表为：六、利用步骤五所得到船长比n的模糊输出量，采用面积重心法对模糊输出量进行去模糊处理，得到船长比n的精确值，将得到的船长比n输出给PD控制器，进而控制无人艇左右两侧电机的控制电压，推动无人水面艇在水面横风的环境下运行。