一种环保作业的无人艇控制方法及应用其的无人艇系统技术方案

本发明专利技术提出一种环保作业的无人艇控制方法及应用其的无人艇系统，其中方法包括以下步骤：根据预设作业点的位置，生成路径规划航线；控制无人艇追踪路径规划航线，同时控制放下清扫装置对途径的水面进行清理，通过水质监测传感器对水体的水质进行探测；无人艇控制采用分离式控制方法，包括外环制导和内环控制；外环制导：根据无人艇实际位置与规划航线的距离误差，计算出期望艏向角ψ

【技术实现步骤摘要】
一种环保作业的无人艇控制方法及应用其的无人艇系统


[0001]本专利技术涉及无人艇的
，特别是一种环保作业的无人艇控制方法及应用其的无人艇系统。

技术介绍

[0002]目前城市公园里面都建设有湖泊，湖泊的水质、植物、鱼类动物都需要日常的打理和保护，目前则通过工人在湖面上划船的形式，对湖面的垃圾进行清理，对过长的水草进行切割，若需要对水体进行检测，则需要划船到指定的区域获取水体样本进行检测，这样人工划船的方式不仅需要耗费较大的劳动成本，工人的劳动强度大，而且效率低下，不利于对湖泊打理的发展，市面上的用于水面的无人艇方案不成熟，功能单一，无法达到收集垃圾和收割水槽的功能，也缺乏对水体检测的装置。

技术实现思路

[0003]针对上述缺陷，本专利技术的目的在于提出一种环保作业的无人艇控制方法及应用其的无人艇系统，解决现有技术人工划船进行垃圾清理和水体检测的劳动成本高、强度高，效率低下的问题。
[0004]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种环保作业的无人艇控制方法，包括以下控制步骤：
[0006]根据预设作业点的位置，生成路径规划航线；
[0007]控制无人艇追踪路径规划航线，同时控制放下清扫装置对途径的水面进行清理，通过水质监测传感器对水体的水质进行探测；
[0008]控制无人艇追踪路径规划路线的方法中，对于无人艇的前进和转向控制采用分离式控制方法，包括外环制导和内环控制；
[0009]外环制导：根据无人艇实际位置与规划航线的距离误差，计算出期望艏向角ψ
ref
，并作为内环控制的输入；
[0010]内环控制：根据期望艏向角ψ
ref
计算出期望的舵角，计算并输出无人艇两个推进器的油门T1和T2，通过两个油门的差速控制无人艇的航向和航速。
[0011]优选的，所述外环制导包括以下方法步骤：
[0012]设置参数θ将路径参数化，得到参数化后的路径为P
h
＝[x(θ) y(θ)]T
；
[0013]定义无人艇在t时刻的位置为P(t)＝[x(t) y(t)]T
；无人艇在t时刻的位置进行参数化后为P(θ)＝[x(θ) y(θ)]T
；
[0014]无人艇到路径规划航线的距离误差为e(θ)＝P
h
(θ)
‑
P(θ)；
[0015]定义参数θ使无人艇到路径规划航线的距离误差最小；定义距离误差代价函数为
[0016]当J(θ)取最小值的时候,e(θ)最小，利用梯度下降法，定义θ的迭代公式为:；式中：
η为步长，控制θ朝梯度方向下降的速率，结合上式确定无人艇到路径上的最近点：P
d
(θ)＝[x
d
(θ) y
d
(θ)]；
[0017]从而获得无人艇路径跟踪的期望艏向角的跟踪制律为：
[0018][0019]优选的，所述内环控制由参数时变矩阵估计算法和航向航速控制算法组成，包括以下方法步骤：
[0020]将无人艇平面运动的动力学模型简化为：
[0021][0022]公式1中：M为质量矩阵；C为科氏力矩阵；D为阻力矩阵；τ＝[T
x T
y T
z
]为控制输入；τ
w
为非线性外界扰动；η＝[u v r]T
为无人艇的速度向量；
[0023]定义无人艇姿态跟踪误差向量e：
[0024]e＝η
d
‑
η——公式2；
[0025]公式2中：η
d
为期望姿态向量；
[0026]对公式2求一阶导后，代入公式1中，得到姿态误差开环动态方程：
[0027][0028]将公式3离散化，定义在时刻k，和η(k)的值是确定的；且M,C(η),D(η),τ
w
(t),e(t)均为确定的矩阵，此时，令y(k)＝e(k)，代入公式3得：
[0029][0030]定义辅助函数F(k)为：
[0031][0032]定义采样时间为T，将代入公式4得：
[0033][0034]记：Δy(k+1)＝y(k+1)
‑
y(k)为相邻两时刻的输出变化；
[0035]Δτ(k)＝τ(k)
‑
τ(k
‑
1)为相邻两时刻的输入变化；
[0036]定义时变参数矩阵使公式6系统可以转化为如下的数据模型
[0037][0038]其中ΔH(k)＝||[Δy(k) Δτ(k)]T
||≠0，且对任意时刻k有界；
[0039]参照如下控制输入准则函数：
[0040]J(τ(k))＝||y
*
(k+1)
‑
y(k+1)||2+λ||τ(k)
‑
τ(k
‑
1)||2——公式8
[0041]公式8中：λ为一个大于0的权重因子，用于惩罚控制输入量变化过大；τ＝[T
x T
y T
z
]为控制输入；y
*
(k+1)为期望输出。
[0042]由Cauchy微分中值定理得：
[0043][0044]将其代入公式8中，对其求关于τ(k)的偏导，并令其等于0，得到航向航速控制律如下：
[0045][0046]公式9中：ρ∈(0,1]为步长因子。
[0047]优选的，路径规划航线的生成包括以下步骤：
[0048]读取用户输入的作业点，标记无人艇起点s，除起点s外所有作业点记入集合U，并将已规划的作业点记入集合S；
[0049]比较起点s到集合U中各作业点之间的距离L，取距离最近的作业点记作下一个作业点k，将作业点k加入集合S，从集合U中移除作业点k；
[0050]判断集合U是否为空集，若否则比较当前作业点到集合U中剩余作业点之间的距离，取最近的作业点覆盖记作下一作业点k，将作业点k加入集合S，从集合U中移除作业点k；若是则结束路径规划。
[0051]优选的，无人艇在行驶中还包括无人艇避障控制方法，包括以下步骤：
[0052]激光雷达探测到障碍物，生成从当前无人艇的位置作为起点q
‑
start到终点q
‑
goal的直线连接路径m
‑
line；
[0053]无人艇沿着m
‑
line移动，当到达障碍物附近时，记录此刻无人艇的位置Xi；控制无人艇沿着障碍物的轮廓进行轮廓追踪；
[0054]当无人艇重新进入路径m
‑
line后，沿着路径m
‑
line到达终点q
‑
goal；
[0055]当无人艇回到初始位置Xi时，则判断目标q
‑
goal不可达，通知工作人员进行手动操控。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种环保作业的无人艇控制方法，其特征在于：包括以下步骤：根据预设作业点的位置，生成路径规划航线；控制无人艇追踪路径规划航线，同时控制放下清扫装置对途径的水面进行清理，通过水质监测传感器对水体的水质进行探测；控制无人艇追踪路径规划路线的方法中，对于无人艇的前进和转向控制采用分离式控制方法，包括外环制导和内环控制；外环制导：根据无人艇实际位置与规划航线的距离误差，计算出期望艏向角ψ
ref
，并作为内环控制的输入；内环控制：根据期望艏向角ψ
ref
计算出期望的舵角，计算并输出无人艇两个推进器的油门T1和T2，通过两个油门的差速控制无人艇的航向和航速。2.根据权利要求1所述的一种环保作业的无人艇控制方法，其特征在于：所述外环制导包括以下方法步骤：设置参数θ将路径参数化，得到参数化后的路径为P
h
＝[x(θ) y(θ)]
T
；定义无人艇在t时刻的位置为P(t)＝[x(t) y(t)]
T
；无人艇在t时刻的位置进行参数化后为P(θ)＝[x(θ) y(θ)]
T
；无人艇到路径规划航线的距离误差为e(θ)＝P
h
(θ)
‑
P(θ)；定义参数θ使无人艇到路径规划航线的距离误差最小；定义距离误差代价函数为当J(θ)取最小值的时候，e(θ)最小，利用梯度下降法，定义θ的迭代公式为：；式中：η为步长，控制θ朝梯度方向下降的速率，结合上式确定无人艇到路径上的最近点：P
d
(θ)＝[x
d
(θ) y
d
(θ)]；从而获得无人艇路径跟踪的期望艏向角的跟踪制律为：3.根据权利要求2所述的一种环保作业的无人艇控制方法，其特征在于：所述内环控制由参数时变矩阵估计算法和航向航速控制算法组成，包括以下方法步骤：将无人艇平面运动的动力学模型简化为：公式1中：M为质量矩阵；C为科氏力矩阵；D为阻力矩阵；τ＝[T
x T
y T
z
]为控制输入；τ
w
为非线性外界扰动；η＝[u v r]
T
为无人艇的速度向量；定义无人艇姿态跟踪误差向量e：e＝η
d
‑
η——公式2；公式2中：η
d
为期望姿态向量；对公式2求一阶导后，代入公式1中，得到姿态误差开环动态方程：将公式3离散化，定义在时刻k，和η(k)的值是确定的；且M，C(η)，D(η)，τ
w
(t)，e(t)均为确定的矩阵，此时，令y(k)＝e(k)，代入公式3得：
定义辅助函数F(k)为：定义采样时间为T，将代入公式4得：记：Δy(k+1)＝y(k+1)
‑
y(k)为相邻两时刻的输出变化；Δτ(k)＝τ(k)
‑
τ(k
‑
1)为相邻两时刻的输入变化；定义时变参数矩阵使公式6系统可以转化为如下的数据模型其中ΔH(k)＝||[Δy(k) Δτ(k)]
T
||≠0，且对任意时刻k有界；参照如下控制输入准则函数：J(τ(k))＝||y
*
(k+1)
‑
y(k+1)||2+λ||τ(k)
‑
τ(k
‑
1)||2——公式8；公式8中：λ为一个大于0的权重因子，用于惩罚控制输入量变化过大；τ＝[T
x T
y T
z
]为控制输入；y
*
(k+1)为期望输出；由Cauchy微分中值定理得：；将其代入公式8中，对其求关于τ(k)的偏导，并令其等于0，得到航向航速控制律如下：公式9中：ρ∈(0，1]为步长因子。4.根据权利要求1所述的一种环保作业的无人艇控制方法，其特征在于：路径规划航线的生成包括以下...

【专利技术属性】
技术研发人员：林明，陈嘉东，鲁仁全，徐雍，饶红霞，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：