基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法。针对存在未知外部环境时变扰动的欠驱船舶路径跟踪控制问题，在制导部分提出一种基于可变转向半径和可变切换点圆半径参数的制导方法，获得期望航向角；在控制部分采用自适应动态面滑模控制器，根据输入期望航向角和期望速度，输出纵向控制力和艏摇控制力矩，并将其输出至推进模块从而实现对期望轨迹的跟踪，同时设计非线性干扰观测器对外部环境扰动进行估计并补偿于控制器，提高控制精度。制精度。制精度。

【技术实现步骤摘要】
基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法


[0001]本专利技术属于无人船路径跟踪控制领域，具体涉及一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法。

技术介绍

[0002]随着科技的不断进步和应用领域的不断扩展，无人船的应用范围也越来越广泛，包括海洋勘探、海洋环境监测、海上救援、港口巡逻、水下考古、水产养殖等领域。近年来，随着人工智能、机器视觉、自主导航等技术的快速发展，无人船的性能和应用领域得到了进一步拓展和提升。同时，无人船的成本也逐渐降低，使得其在商业领域的应用越来越广泛。预计未来，无人船将成为海洋领域的重要工具，为人类探索和保护海洋资源提供更多的可能性。其中，无人船的路径跟踪成为这些功能实现的基础，也是无人船相关问题研究的重中之重。目前无人船路径跟踪控制通常分为两种结构：
①
分离控制方案，将控制器分为外环制导和内环控制；
②
综合控制方案，即将制导与控制综合在一起。其中分离式控制方案优点在于航迹和航向保持功能的相对分离，便于控制模式切换及软硬件设计过程中模块化设计。无人艇路径跟踪控制分离控制方案中，外环制导律主要有LOS制导算法。在内环控制中，通常为航向控制与航速控制，其中航向航速控制方法主要有内模控制、模型参考自适应动态面滑模控制、滑模控制、动态面控制等基于动力学模型的控制方法，以及模糊神经网络PID、改进细菌觅食算法等基于数据的控制方法。
[0003]目前的LOS通常以路径给出的点直接作为期望点，当船舶离下一个航路点较远且存在海风、海浪、海流等干扰时会导致较大的航迹误差。同时切换点半径通常会根据经验取一个固定值R，这样会导致在实际应用中经常出现航迹转向阶段航向角波动大、航向角曲线不平缓的现象，转向阶段航迹跟踪的动态品质欠佳。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决目前基于LOS制导律在航迹转向阶段航向角波动大、航向角曲线不平缓的现象，提供一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统及方法，针对存在未知外部环境常值扰动的船舶路径跟踪控制问题，基于改进的LOS计算期望艏相ψ
d
，采用自适应律对扰动和观测扰动误差的界进行估计，补偿扰动观测误差提高控制精度且结合动态面技术解决微分爆炸的问题，同时设计非线性干扰观测器对外部环境扰动进行估计并补偿于控制器，以实现更高精度的路径跟踪。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统，包括：
[0006]船自身信息获取模块，用于实时获取无人船的航行姿态，包括陀螺仪获取加速度、航向角、横摇、纵摇数据，GPS获取船的实时位置；
[0007]船周围信息获取模块，实时获取障碍物位置和垃圾位置，包括鱼眼摄像头获得标定垃圾位置及鱼眼摄像头所在位置；
[0008]电源及其管理模块，用于为系统提供电能使其保持运行同时监视电量使用和剩余情况以保证船能够顺利返航，包括电池组、电池监视器和电源使用分析单元；
[0009]数传图传模块，用于采集无人船航行过程中的航行数据和图像信息并通过无线网络与显示台通讯；
[0010]主控模块，用于将无人船的实时运行信息与待执行信息对比，得到无人船的控制策略，将其发送给推进系统模块；
[0011]推进系统模块，用于执行无人船的控制策略使得船能够跟踪上期望路径，包括螺旋桨和艏侧推。
[0012]在本专利技术一实施例中，垃圾识别及垃圾位置标定模型基于深度学习训练获得的，具体步骤如下：
[0013]步骤1、基于鱼眼摄像头获取图像为原始数据，提取有效帧并标定标签；
[0014]步骤2、利用yolov5_v7.0训练并获得模型，在训练过程中产生新数据基于训练的模型进行标签标定丰富数据，而后验证测试集，获取最优训练结果，最后固定权值和阈值，获得模型。
[0015]在本专利技术一实施例中，垃圾位置标定是以船所在位置作为原点，以船头方向为x轴以右舷为y轴，x轴顺时间旋转为正，标记垃圾相对于船的距离与角度，具体步骤如下：
[0016]步骤1、基于鱼眼摄像机获取图像；
[0017]步骤2、经过畸变校正、2D俯视图拼接；
[0018]步骤3、基于垃圾识别及垃圾位置标定模型标定垃圾位置；
[0019]步骤4、基于相机标定实现位置坐标匹配；
[0020]步骤5、计算二维坐标，获得相对于船的位置；
[0021]步骤6、输出至主控模块。
[0022]在本专利技术一实施例中，无人船的控制策略包括制导部分、控制部分，在制导部分提出一种基于可变转向半径和可变切换点圆半径参数的制导方法，获得期望航向角ψ
d
；在控制部分采用自适应动态面滑模控制器，根据输入期望航向角和期望速度，输出纵向控制力τ
u
和艏摇控制力矩τ
r
，并将其输出至推进模块从而实现对期望轨迹的跟踪。
[0023]本专利技术还提供了一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1、在无人船初次到新的环境中，需要巡回一周，获取水域地图并标记垃圾倾倒点位置；
[0025]步骤2、设置无人船工作模式为自主巡航；获取水域地图，标记船所在位置，设置巡航点，生成巡航路径，将其发送给主控模块；
[0026]步骤3、启动无人船的自主巡航；无人船开始按照路径巡航；
[0027]步骤4、监控无人船航行状态数据；
[0028]步骤5、判断是否有电量过低警告，是则返回原点，否则继续判断；
[0029]步骤6、判断垃圾存储仓是否占满，是则返回垃圾存放点，否继续判断；
[0030]步骤7、判断是否有垃圾存在警告，是则将垃圾所在位置设置为下一期望路径点，否则继续判断；
[0031]步骤8、判断是否已经到达终点，是则结束，否则继续巡航。
[0032]在本专利技术一实施例中，无人船的路径巡航包括制导部分、控制部分，在制导部分提出一种基于可变转向半径和可变切换点圆半径参数的制导方法，获得期望航向角ψ
d
；在控制部分采用自适应动态面滑模控制器，根据输入期望航向角和期望速度，输出纵向控制力τ
u
和艏摇控制力矩τ
r
，并将其输出至推进模块从而实现对期望轨迹的跟踪。
[0033]在本专利技术一实施例中，制导部分具体实现如下：
[0034]在制导部分，以无人船中心为圆心，半径R0做圆与路径相较于两点，LOS位置取靠近路径点的交点(x
los
,y
los
)，计算LOS坐标
[0035][0036](x(t),y(t))为船的实际位置，(x
k
‑1,y
k
‑1)为上个期望路径点，(x
k
,y
k
)为当前期望路径点。
[0037]横向误差y
e
(t)计算为
[0038]y
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统，其特征在于，包括：船自身信息获取模块，用于实时获取无人船的航行姿态，包括陀螺仪获取加速度、航向角、横摇、纵摇数据，GPS获取船的实时位置；船周围信息获取模块，实时获取障碍物位置和垃圾位置，包括鱼眼摄像头获得标定垃圾位置及鱼眼摄像头所在位置；电源及其管理模块，用于为系统提供电能使其保持运行同时监视电量使用和剩余情况以保证船能够顺利返航，包括电池组、电池监视器和电源使用分析单元；数传图传模块，用于采集无人船航行过程中的航行数据和图像信息并通过无线网络与显示台通讯；主控模块，用于将无人船的实时运行信息与待执行信息对比，得到无人船的控制策略，将其发送给推进系统模块；推进系统模块，用于执行无人船的控制策略使得船能够跟踪上期望路径，包括螺旋桨和艏侧推。2.根据权利要求1所述的基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统，其特征在于，垃圾识别及垃圾位置标定模型基于深度学习训练获得的，具体步骤如下：步骤1、基于鱼眼摄像头获取图像为原始数据，提取有效帧并标定标签；步骤2、利用yolov5_v7.0训练并获得模型，在训练过程中产生新数据基于训练的模型进行标签标定丰富数据，而后验证测试集，获取最优训练结果，最后固定权值和阈值，获得模型。3.根据权利要求1所述的基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统，其特征在于，垃圾位置标定是以船所在位置作为原点，以船头方向为x轴以右舷为y轴，x轴顺时间旋转为正，标记垃圾相对于船的距离与角度，具体步骤如下：步骤1、基于鱼眼摄像机获取图像；步骤2、经过畸变校正、2D俯视图拼接；步骤3、基于垃圾识别及垃圾位置标定模型标定垃圾位置；步骤4、基于相机标定实现位置坐标匹配；步骤5、计算二维坐标，获得相对于船的位置；步骤6、输出至主控模块。4.根据权利要求1所述的基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制系统，其特征在于，无人船的控制策略包括制导部分、控制部分，在制导部分提出一种基于可变转向半径和可变切换点圆半径参数的制导方法，获得期望航向角ψ
d
；在控制部分采用自适应动态面滑模控制器，根据输入期望航向角和期望速度，输出纵向控制力τ
u
和艏摇控制力矩τ
r
，并将其输出至推进模块从而实现对期望轨迹的跟踪，同时设计非线性干扰观测器对外部环境扰动进行估计并补偿于控制器，提高控制精度。5.一种基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、在无人船初次到新的环境中，需要巡回一周，获取水域地图并标记垃圾倾倒点位置；步骤2、设置无人船工作模式为自主巡航；获取水域地图，标记船所在位置，设置巡航点，生成巡航路径，将其发送给主控模块；
步骤3、启动无人船的自主巡航；无人船开始按照路径巡航；步骤4、监控无人船航行状态数据；步骤5、判断是否有电量过低警告，是则返回原点，否则继续判断；步骤6、判断垃圾存储仓是否占满，是则返回垃圾存放点，否继续判断；步骤7、判断是否有垃圾存在警告，是则将垃圾所在位置设置为下一期望路径点，否则继续判断；步骤8、判断是否已经到达终点，是则结束，否则继续巡航。6.根据权利要求4所述的基于改进LOS的滑模无人船路径跟踪控制方法，其特征在于，制导部分具体实现如下：在制导部分，以无人船中心为圆心，半径R0做圆与路径相较于两点，LOS位置取靠近路径点的交点(x
los
,y
los
)，计算LOS坐标(x(t),y(t))为船的实际位置，(x
k
‑1,y
k
‑1)为上个期望路径点，(x
k
,y
k
)为当前期望路径点；横向误差y
e
(t)计算为y
e
(t)＝
‑
sinψ
d
(x(t)
‑
x
f
(t))+cosψ
d
(y(t)
‑
y
f
(t))
ꢀꢀꢀꢀ
(2)(x
f
(t),y
f
(t))为船舶实际位置距离参考路径最近的点，ψ
d
为当前跟踪路径的切向角；R0为转向半径：R
min
为固定参考转向半径；路径跟踪点切换规则，当无人船跟踪当前期望路径点P
k
(x
k
,y
k
)，一旦无人船满足则立即跟踪下一个期望路径点，将R称为切换点圆半径；使用二分法计算切换点圆半径，设计目标函数为f＝∫|y
e
(t)|dt
ꢀꢀꢀꢀ
(5)当无人船切换跟踪路径点时开始积累横向误差，当横向误差稳定时则...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德烽，毛鸣，游政，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：