一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇技术

本发明专利技术公开了一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇，该方法包括：分段式航速控制方法，即将航速控制分为三个阶段：第一阶段是快速响应阶段，控制无人艇快速到达期望航速附近；第二阶段是航速镇定阶段，保持油门值一段时间；第三阶段是步进式微调阶段，对油门进行微调，达到期望航速；航向控制方法，即根据无人艇当前航向和期望航向，计算得到无人艇的舵角控制值；基于预瞄点的期望航向生成方法，即得到期望航向；最后基于分段式航速控制方法控制无人艇的航速；基于预瞄点的期望航向生成方法得到期望航向，再基于航向控制方法计算得到无人艇的舵角控制值，控制无人艇的航向。本发明专利技术能够使无人艇快速达到期望航速并实现期望路径的跟踪。路径的跟踪。路径的跟踪。

【技术实现步骤摘要】
一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇


[0001]本专利技术属于水面无人艇航行控制
，具体涉及一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇。

技术介绍

[0002]水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle，USV)作为一种可替代有人舰艇完成枯燥、危险任务的作战单元，受到了越来越多的重视。无人艇以其出色的机动性、隐身性，肩负起了执行多种任务的使命。对于无人艇来说，其最基本的功能就是进行航路循迹，这也是无人艇在完成巡逻、扫海、查证等使命任务中的最基础的航行动作。无人艇在实际使用时，受风浪流等外界因素的影响，其航速与航迹会和期望值有较大的偏差，或出现振荡现象，本专利技术针对此问题设计了一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇，可以实现控制无人艇完成精准的航速和航迹控制。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，提供一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法及无人艇，使无人艇能够在一定风浪流等外界干扰下，控制无人艇快速达到期望航速并实现期望路径的跟踪。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法，其特征在于，该方法包括：
[0006](1)分段式航速控制方法
[0007]将航速控制分为三个阶段：第一阶段是快速响应阶段，依据无人艇的期望航速以及无人艇的航速油门模型曲线，得到油门值，控制无人艇快速到达期望航速附近；第二阶段是航速镇定阶段，无人艇到达期望航速附近后，保持该油门值一段时间；第三阶段是步进式微调阶段，完成快速响应和航速镇定后，根据无人艇当前航速与期望航速的航速差对油门进行微调，使无人艇达到期望航速；
[0008](2)航向控制方法
[0009]根据无人艇当前航向和期望航向，计算得到无人艇的舵角控制值；
[0010](3)基于预瞄点的期望航向生成方法
[0011]获取预瞄点采样距离，对无人艇路径进行线性插值采样，每隔一个采样距离生成一个采样点，当该采样点到路径终点的距离不足一个采样距离时，则将路径终点作为最后一个路径采样点，生成一段新的路径点集；
[0012]在生成的路径点集中，找到与无人艇当前位置最近的一个点，以最近的一个点的下一个路径点为预瞄点，如果最近点为路径终点，则以路径终点作为预瞄点，计算当前位置与预瞄点之间的航向角度，得到期望航向；
[0013]基于分段式航速控制方法控制无人艇的航速；基于预瞄点的期望航向生成方法得到期望航向，再基于航向控制方法计算得到无人艇的舵角控制值，控制无人艇的航向。
[0014]进一步的，无人艇的航速油门模型曲线的获取方法包括：
[0015]将无人艇的油门值分成n
‑
1个区间段，对应获得一个包含n个元素的油门值的数组M
A
[n]；
[0016]在静水中，将无人艇油门置为M
A
(i)(i＝1，...，n)，待航速稳定后，记录该油门下的航速值M
S
(i)，从而得到航速值数组M
S
[n]；M
S
(i)则为对应油门值为M
A
(i)下的静水航速；
[0017]对M
A
[n]和M
S
[n]中的元素进行m阶的分段拟合，得到该无人艇对应的航速油门模型曲线。
[0018]进一步的，无人艇的油门值从0％到100％，n为11，m为1。
[0019]进一步的，依据无人艇的期望航速以及无人艇的航速油门模型曲线，得到油门值，包括：
[0020]获取首个超过期望航速的航速值M
S
(i)，计算出目标油门值A
E
：
[0021][0022]设置油门阈值；若目标油门值A
E
与当前油门值A的差值大于等于油门阈值，则当前油门值增大特定油门值；若目标油门值A
E
与当前油门值A的差值小于等于负的油门阈值，则当前油门值减小特定油门值。
[0023]进一步的，油门阈值和特定油门值均为1％最大油门值。
[0024]进一步的，油门值保持时间T
s
为固定值或快速响应阶段的油门变化量越大则油门值保持时间T
s
越大。
[0025]进一步的，根据无人艇当前航速与期望航速的航速差对油门进行微调，使无人艇达到期望航速，包括：
[0026]设置航速误差阈值E、调整间隔T
a
和油门增量百分比s；
[0027]当航速差小于航速误差阈值E时，则代表达到期望航速；调整间隔T
a
则表示如果当前航速没有达到期望航速，则每隔时间T
a
对油门进行一次调整，若当前航速小于期望航速则油门增加s％，如果当前航速高于期望航速则油门减小s％。
[0028]进一步的，无人艇的舵角控制值计算方法为：
[0029]E
C
＝C
E
‑
C
C
[0030][0031]其中，E
C
为航向误差，C
E
为期望航向，C
C
为当前航向，R为舵角控制值，P为比例调节系数，D为微分调节系数。
[0032]进一步的，航速越高，采样距离越大。
[0033]一种无人艇，该无人艇采用上述中任意一项所述的稳定航速的无人艇路径跟踪方法。
[0034]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0035]为了满足无人艇航速的快速精准控制的要求，本专利技术设计了一种分段式航速控制方法，该方法既可以满足航速的快速跟踪控制，又能够使无人艇在一定风浪流等外界干扰下实现期望航速的稳定跟踪；针对无人艇路径跟踪问题，本专利技术提出了一种基于预瞄点的期望航向生成算法，根据本艇与路径的相对位置，计算得到无人艇当前应行驶的航向，从而
实现期望路径的跟踪。
[0036]本专利技术可部署于无人艇控制器的算法库中，接受无人艇控制器调用，实现无人艇稳定航速控制和期望路径跟踪，以实现后续探测、查证、巡逻等科考或其他任务。另外，本专利技术不依赖自主控制器软硬件的类型，均可采用仿真平台开展算法的运行、调试及评估。
附图说明
[0037]图1为本专利技术实施例的稳定航速的无人艇路径跟踪方法流程图；
[0038]图2为本专利技术实施例的直线路径循迹航迹图。
具体实施方式
[0039]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]为了解决无人艇航速控制和路径跟踪问题，本专利技术设计了一种分段式航速控制方法可以实现航速的快速稳定跟踪，采用了比例微分控制来实现对航向的控制，最后结合前面的航速航向控制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种稳定航速的无人艇路径跟踪方法，其特征在于，该方法包括：(1)分段式航速控制方法将航速控制分为三个阶段：第一阶段是快速响应阶段，依据无人艇的期望航速以及无人艇的航速油门模型曲线，得到油门值，控制无人艇快速到达期望航速附近；第二阶段是航速镇定阶段，无人艇到达期望航速附近后，保持该油门值一段时间；第三阶段是步进式微调阶段，完成快速响应和航速镇定后，根据无人艇当前航速与期望航速的航速差对油门进行微调，使无人艇达到期望航速；(2)航向控制方法根据无人艇当前航向和期望航向，计算得到无人艇的舵角控制值；(3)基于预瞄点的期望航向生成方法获取预瞄点采样距离，对无人艇路径进行线性插值采样，每隔一个采样距离生成一个采样点，当该采样点到路径终点的距离不足一个采样距离时，则将路径终点作为最后一个路径采样点，生成一段新的路径点集；在生成的路径点集中，找到与无人艇当前位置最近的一个点，以最近的一个点的下一个路径点为预瞄点，如果最近点为路径终点，则以路径终点作为预瞄点，计算当前位置与预瞄点之间的航向角度，得到期望航向；基于分段式航速控制方法控制无人艇的航速；基于预瞄点的期望航向生成方法得到期望航向，再基于航向控制方法计算得到无人艇的舵角控制值，控制无人艇的航向。2.根据权利要求1所述的稳定航速的无人艇路径跟踪方法，其特征在于，无人艇的航速油门模型曲线的获取方法包括：将无人艇的油门值分成n
‑
1个区间段，对应获得一个包含n个元素的油门值的数组M
A
[n]；在静水中，将无人艇油门置为M
A
()(＝1,
…
,n)，待航速稳定后，记录该油门下的航速值M
S
()，从而得到航速值数组M
S
[]；M
S
()则为对应油门值为M
A
()下的静水航速；对M
A
[n]和M
S
[]中的元素进行m阶的分段拟合，得到该无人艇对应的航速油门模型曲线。3.根据权利要求2所述的稳定航速的无人艇路径跟踪方法，其特征在于，无人艇的油门值从0％到100％，n为11，m为1。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：钊毅，朱奇舸，袁康益，唐李军，岳林，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：