基于螺旋策略的无人艇容错控制方法及其控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于螺旋策略的无人艇容错控制方法及系统，当无人艇发生单调航向约束时，执行：计算无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)和位置平均值P(t)；计算位置平均值P(t)与目标位置η

【技术实现步骤摘要】
基于螺旋策略的无人艇容错控制方法及其控制系统


[0001]本专利技术属于无人艇控制
，更具体地，涉及一种基于螺旋策略的无人艇容错控制方法及其控制系统。

技术介绍

[0002]近几十年来，无人艇(USV)由于其高效、高灵活性和低运行成本，被广泛应用于水质监测、军事侦察、海洋勘探等领域。在相关的水上任务中，无人艇具有很高的运行负荷，并且经常受到恶劣的外界环境的干扰，这导致无人艇的执行器时常会遭遇故障。这意味着控制输入始终被限制为正或者负，执行器不能调零，无人艇不能沿着直线形式。在这种情况下，无人艇的返港任务变得非常具有挑战性。目前，这种无人艇装置的容错控制问题并没有得到很好的解决。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于螺旋策略的无人艇容错控制方法及其控制系统，其目的在于解决解决具有单调航向约束的故障无人艇的导航返港问题。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，当无人艇不能直线行驶、只能朝一侧转向且只能前进不能后退时，执行：
[0005]计算无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)，每个航向角周期为2π；
[0006]计算无人艇在当前航向角周期内的位置平均值P(t)；
[0007]计算位置平均值P(t)与目标位置η
f
的偏离方向φ
d
(t)；
[0008]通过公式计算移动方向和偏离方向的角度误差ε(t)；
[0009]通过公式ψ
r
(t)＝φ(t)+ε(t)
‑
α2(φ(t)
‑
φ
d
(t))计算下个航向角周期的调整角度ψ
r
(t)；α1>0，α2>0为控制参数；
[0010]将航向角周期划分为角度调整区2kπ+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
,2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
和加速区2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
,(2k+2)π+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
，其中，表示第k个航向角周期，ψ
f
∈[0,2π]表示设定的偏置角度，在角度调整区内增大推进器功率并减小转向舵角，在加速区内减小推进功率并增大转向舵角。
[0011]在其中一个实施例中，无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)的计算公式为：
[0012][0013]其中，ψ(t)为无人艇在时刻t的航向角，x(t)，y(t)分别表示无人艇在时刻t的横坐标和纵坐标。
[0014]在其中一个实施例中，无人艇在当前航向角周期内的位置平均值P(t)的计算公式
为：
[0015][0016][0017][0018]其中，分别为位置平均值P(t)的横坐标和纵坐标，ψ(t)为无人艇在时刻t的航向角，x(s)，y(s)分别为无人艇在时刻s的横坐标和纵坐标。
[0019]在其中一个实施例中，在角度调整区内控制推进器功率τ
u
(t)为τ
u
、转向舵角τ
r
(t)为在加速区内控制推进功率τ
u
(t)为转向舵角τ
r
(t)为τ
r
，和*分别表示变量*的预设上界和下界。
[0020]在其中一个实施例中，通过区域分离函数将航向角周期划分为角度调整区和加速区，区域分离函数为：
[0021][0022]推进器功率τ
u
的计算公式为：
[0023][0024]转向舵角τ
r
的计算公式为：
[0025][0026]其中，ψ(t)为无人艇在时刻t的航向角，λ＞＞0为设计参数。
[0027]在其中一个实施例中，还包括，确定无人艇的动力学模型为：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034]其中，x(t),y(t),ψ(t)表示无人艇的位置坐标和航向角，其中，x(t),y(t),ψ(t)表示无人艇的位置坐标和航向角，m1,m2,m3分别为无人艇在横向、纵向和航向上的附加质量效应的惯性质量，d1,d2,d3分别为纵荡、横荡和艏摇时水动力阻尼系数，τ
u
(t)、τ
r
(t)分别为推进器功率和转向舵角，w(t),v(t),r(t)分别表示纵向速
度、横荡速度和角速度。
[0035]在其中一个实施例中，所述无人艇的故障信息表示为：
[0036][0037]其中，分别表示控制期间无人艇的推进器功率和转向舵角，其中，当时，表示无人艇只能朝右前方行驶，当时，表示无人艇只能朝左前方行驶。
[0038]按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于螺旋策略的无人艇容错控制系统，用于当无人艇不能直线行驶、只能朝一侧转向且只能前进不能后退时对无人艇进行控制，包括：
[0039]移动方向计算单元，用于计算无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)，每个航向角周期为2π；
[0040]位置平均值计算单元，用于计算无人艇在当前航向角周期内的位置平均值P(t)；
[0041]角度误差计算单元，用于通过公式计算移动方向和偏离方向的角度误差ε(t)；
[0042]调整角度计算单元，用于将航向角周期划分为角度调整区2kπ+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
,2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
和加速区2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
,(2k+2)π+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
，其中，表示第k个航向角周期，ψ
f
∈[0,2π]表示设定的偏置角度；
[0043]执行器控制单元，用于在角度调整区内增大推进器功率并减小转向舵角，在加速区内减小推进功率并增大转向舵角。
[0044]按照本专利技术的另一方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
[0045]按照本专利技术的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
[0046]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0047]本专利技术控制发生单调航向约束故障的无人艇螺旋前进，且将每个2π的航向角周期分为角度调整区和加速区两个范围，在此基础上，对无人艇进行容错控制，实现无人艇在角度调整区降低前进速度并增加转向角速度，在加速区增加前进速度并降低转向角速度，并通过与目标位置的角度误差实时调节调整角度ψ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，其特征在于，当无人艇不能直线行驶、只能朝一侧转向且只能前进不能后退时，执行：计算无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)，每个航向角周期为2π；计算无人艇在当前航向角周期内的位置平均值P(t)；计算位置平均值P(t)与目标位置η
f
的偏离方向φ
d
(t)；通过公式计算移动方向和偏离方向的角度误差ε(t)；通过公式ψ
r
(t)＝φ(t)+ε(t)
‑
α2(φ(t)
‑
φ
d
(t))计算下个航向角周期的调整角度ψ
r
(t)；α1＞0，α2＞0为控制参数；将航向角周期划分为角度调整区2kπ+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
，2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
和加速区2kπ+ψ
r
(t)+ψ
f
，(2k+2)π+ψ
r
(t)
‑
ψ
f
，其中，表示第k个航向角周期，ψ
f
∈[0，2π]表示设定的偏置角度，在角度调整区内增大推进器功率并减小转向舵角，在加速区内减小推进功率并增大转向舵角。2.如权利要求1所述的基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，其特征在于，无人艇在当前航向角周期的移动方向φ(t)的计算公式为：其中，ψ(t)为无人艇在时刻t的航向角，x(t)，y(t)分别表示无人艇在时刻t的横坐标和纵坐标。3.如权利要求1所述的基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，其特征在于，无人艇在当前航向角周期内的位置平均值P(t)的计算公式为：前航向角周期内的位置平均值P(t)的计算公式为：前航向角周期内的位置平均值P(t)的计算公式为：其中，分别为位置平均值P(t)的横坐标和纵坐标，ψ(t)为无人艇在时刻t的航向角，x(s)，y(s)分别为无人艇在时刻s的横坐标和纵坐标。4.如权利要求1所述的基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，其特征在于，在角度调整区内控制推进器功率τ
u
(t)为τ
u
、转向舵角τ
r
(t)为在加速区内控制推进功率τ
u
(t)为转向舵角τ
r
(t)为τ
r
，和*分别表示变量*的预设上界和下界。5.如权利要求4所述的基于螺旋策略的无人艇容错控制方法，其特征在于，通过区域分离函数将航向角周期划分为角度调整区和加速区，区域分离函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彬，张海涛，高明远，胡驸龙，叶经天，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：