一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法,将制导过程分为路径跟踪和避障操纵制导两种模式，以改进DVS制导算法为基本构架，由GVS动态规划出由直线和曲线组成的光滑参考路径，路径跟踪模式和避障操纵模式分别对应不同的DVS的引导变量。对于多个或混合的障碍物的避障制导，首先将根据优先级排序及避障操纵条件评判确定当前的避障目标，启动避障操纵模式，过渡函数保证DVS引导变量在不同模式切换之间的光滑性。本发明专利技术对多种控制策略具有适用性，便于同现有先进控制算法结合，控制算法的作用在于保证实船对DVS的收敛，保证制导策略的有效性。

A path tracking guidance method for surface unmanned underwater vehicle considering mixed multi objective obstacle avoidance

The invention discloses a tracking guidance method considering the USV hybrid multi-objective path obstacle avoidance, the guidance process is divided into path tracking and obstacle avoidance control guidance two modes, to improve the DVS guidance algorithm is the basic framework for the smooth reference path is composed of straight lines and curves by GVS dynamic planning, path tracking mode obstacle avoidance and manipulation mode corresponding to the different DVS guide variable. For a number of obstacles or mixed obstacle avoidance guidance, according to the first priority and obstacleavoidance operating conditions determine the current obstacle avoidance goal evaluation, obstacle avoidance control start mode, to ensure the smooth transition function DVS guide variable between different mode switching. The invention has applicability to a plurality of control strategies, and is convenient to combine with an advanced control algorithm. The control algorithm has the function of ensuring the convergence of the ship to the DVS and guaranteeing the effectiveness of the guidance strategy.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法
本专利技术涉及船舶控制工程与船舶自动化航行领域，更具体地，涉及一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法。
技术介绍
通过制导策略实现船舶的航迹保持及避碰/避障是船舶运动控制的关键技术。船舶路径跟踪的制导算法目前应用较广泛的主要有可视距离(LOS)制导算法和动态虚拟小船(DVS)制导算法。避障算法可以借鉴移动机器人和陆上小车的控制，采用基于非线性控制理论稳定极限环(stablelimitcycles)概念的障碍物规避算法，即极限环避障算法，该避障算法具有抖振小、安全性能高、避障轨迹平滑的优点。将上述船舶路径跟踪的制导算法同避障算法相结合的制导策略成为近年来研究的热点。下面就现有的路径跟踪的船舶制导算法同极限环避障算法相结合的制导策略进行简要介绍。文献[1]中给出了LOS制导算法结合避障算法的制导策略。LOS制导算法的基本原理如图1所示：在前向距离固定的前提下，LOS制导算法根据实船位置与直线参考路径上的点AF之间的几何关系获得每一采样时间点的路径跟踪期望艏摇角ψlos，前进速度up保持不变，进而引导船舶实现对直线参考路径的跟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：S1：设定航路点信息W1,W2,…,Wn，分别建立导引虚拟小船和动态虚拟小船的运动数学模型；S2：导引虚拟小船根据制导算法规划出参考路径，并始终沿参考路径行驶，启动路径跟踪制导模式，动态虚拟小船的艏向角时刻等于导引虚拟小船相对于动态虚拟小船的真方位角，并向实船发出制导命令，以引导实船进行路径跟踪，实船不断获取动态虚拟小船的导引变量；S3：在采样时间点进行采样，判断动态虚拟小船是否进入障碍物探测环，如进入障碍物探测环，进入障碍物排序过程，执行S4；如未进入障碍物探测环，保持路径跟踪制导模式，执行S6；S4：进入障碍物排序...

【技术特征摘要】
1.一种考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：S1：设定航路点信息W1,W2,…,Wn，分别建立导引虚拟小船和动态虚拟小船的运动数学模型；S2：导引虚拟小船根据制导算法规划出参考路径，并始终沿参考路径行驶，启动路径跟踪制导模式，动态虚拟小船的艏向角时刻等于导引虚拟小船相对于动态虚拟小船的真方位角，并向实船发出制导命令，以引导实船进行路径跟踪，实船不断获取动态虚拟小船的导引变量；S3：在采样时间点进行采样，判断动态虚拟小船是否进入障碍物探测环，如进入障碍物探测环，进入障碍物排序过程，执行S4；如未进入障碍物探测环，保持路径跟踪制导模式，执行S6；S4：进入障碍物排序过程：对避障物的优先级进行排序，得到障碍物的优先级序列，选取最高优先级障碍物作为当前避障目标，判断当前避障目标是否满足避障操纵条件，若当前避障目标满足避障操纵条件，则进入对当前障碍物的避障制导模式，即执行S5；若当前避障目标不满足避障操纵条件，选取次优先级的障碍物作为当前避障目标；若所有障碍物都不满足避障操纵条件，则进入路径跟踪模式，执行S6；S5：进入避障制导模式：在每一采样时间点，判断当前障碍物的避障操纵条件是否满足，如满足避障操纵条件，则启动对当前障碍物的避障制导模式，获取动态虚拟小船的导引变量，引导实船；如不满足避障操纵条件，则从障碍物优先级序列中去除当前障碍物，并执行S4；S6：根据动态虚拟小船的导引变量和控制策略，实时调整实船的执行器输入，控制实船跟踪动态虚拟小船；S7：测量实船位置，判断是否到达终点，如果是，结束船舶航行，如果否，则执行S2。2.根据权利要求1所述的考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法，其特征在于，S1中，所述导引虚拟小船和动态虚拟小船的运动数学模型的表达式为：其中，d代表动态虚拟小船，g代表导引虚拟小船，(x,y)为位置坐标，分别为距离的一阶导数，ψ为艏向角，u为前进速度，r为转艏角速度。3.根据权利要求1所述的考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法，其特征在于，S4中，所述的障碍物优先级序列的生成方法为：S41：将障碍物分为静态障碍物和动态障碍物，静态障碍物的优先级高于动态障碍物的优先级；S42：静态障碍物的优先级与动态虚拟小船到该静态障碍物安全极限环的距离e大小成反比，e最小的障碍物拥有最高的优先级；S43：动态障碍物的优先级由下列公式确定其中，F为评价函数，Rm为障碍物探测环的半径，Ro为安全极限环的半径，e为动态虚拟小船到该动态障碍物的安全极限环的距离，为动态虚拟小船在路径跟踪模式下其与障碍物距离的导数，udo表示动态虚拟小船的避障速度，为一个常数，其值要大于所有动态障碍物的速度，为权重参数。4.根据权利要求1所述的考虑混合多目标避障的水面无人艇路径跟踪制导方法，其特征在于，S4中，所述避障操纵条件分为对静态障碍物的避障操纵条件和对动态障碍物的避障操纵条件，所述对静态障碍物的避障操纵条件为：动态虚拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，邓英杰，吴晓雪，张显库，田佰军，黄晨峰，关巍，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21