基于变参数视线法的无人船航迹控制方法及存储介质技术

本发明专利技术是一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法及存储介质，包括建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与实际航向角作差，得到目标航向角，再通过控制器得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进。本发明专利技术根据船舶实际位置与路径目标点的距离确定起始航点，方便船舶试验；针对无人船无法正常切换航段的情况，调节算法的视线半径以及切换条件，减小跟踪误差，使得航迹控制更加精确。使得航迹控制更加精确。使得航迹控制更加精确。

【技术实现步骤摘要】
基于变参数视线法的无人船航迹控制方法及存储介质


[0001]本专利技术涉及无人船的航迹跟踪控制
，具体涉及一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法。

技术介绍

[0002]无人船的系统是复杂系统，包含多种功能模块，航行控制是系统重要的模块之一。无人船在海上航行时从经济性和安全性两方面考虑，要求其能沿着特定的航线，即期望轨迹航行。但是在船舶航行过程中不可避免地会受到风浪流等随机干扰的影响，船舶将偏离计划航迹，这样不但会消耗更多的能量，甚至会造成航行事故。因此，设计合理的航迹控制器使船舶保持航迹尽快地到达目的地具有重要意义。
[0003]目前存在的技术问题有：
[0004]当湖泊、河流和海面上风平浪静时候，无人船航行一般保持直线或者由直线组成的折线航路，这样时间最短、燃料消耗也最少。船舶航行时总会受到外界环境因素的影响，规划航行期望的路线时可以将其规划为动态的曲线，此时传统的视线法无法满足跟踪期望航线的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出的一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，可至少解决上述技术问题之一。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
[0007]一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，包括以下步骤，
[0008]首先建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；
[0009]基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与船舶航向角作差，得到目标航向角，进而得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进。
[0010]进一步的，具体包括以下步骤：
[0011]S1、建立有限时间内船舶模型；
[0012]S2、设计航向控制器；
[0013]S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内；
[0014]S4、变参数视线法实现无人船航迹跟踪控制。
[0015]进一步的，所述S1、建立有限时间内船舶模型具体包括：
[0016]在有限时间内，将船舶当作一阶惯性模型，传递函数为其中K为增益系数，T为时间常数；
[0017]上述模型的阶跃响应输出峰值为A，输入的阶跃响应系数为K1，系统输出
则系统的放大系数K＝A/K1；对一阶系统的阶跃响应进行拉普拉斯反变换得到时域信号c(t)＝1
‑
e
‑
t/T
；
[0018]船舶以设定速度直线航行达到稳定后，将舵转到设定舵角并保持不变，此时船舶进入回转状态。实时采集输出角速度与输入舵角数据，并分别绘制它们与试验时间的关系曲线，由于角速度与舵角之间满足此种关系即可计算出船舶在转弯时的模型参数K、T。
[0019]进一步的，所述S2、设计航向控制器具体包括，
[0020]标准二阶系统的开环传递函数为：ξ为阻尼比，ω
n
为自然频率，第一步建立的船舶模型为再通过一个积分环节得到航向角与输入舵角之间的关系设计的控制器为W
c
(s)，由于控制器如此构成一个闭环，输入为期望的航向角，输出为传感器测量的实际航向角。
[0021]进一步的，所述S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内具体包括，
[0022]将不在控制范围的角度映射到这个区间里，具体映射方法参照即
[0023][0024]由DGPS获取船的经纬度，实时转换为XY平面坐标，并绘制在地图中；
[0025]利用串口读取DGPS信息，按照读取协议进行解析，获取经度、纬度、东向速度、北向速度以及航向角信息，用于航路规划、定位当前船舶位置、计算目标航向角，DGPS检测到的航向角的范围在实际控制中需要将其映射到视线法的控制区间上，检测角与控制角坐标的转换如下：
[0026][0027]进一步的，所述S4、变参数视线法实现无人船航迹跟踪控制具体包括：
[0028]航段识别通过航点号进行区分，通过目标航点号[x
d
(k),y
d
(k)]和当前航点号(x,y)确定当前目标航段，起始航点为1号点，后续航点号依次加一；设切换半径为R0，转换条件如下：
[0029][0030]当发现无人船进入到了以当前路径点[x
d
(k),y
d
(k)]为圆心，R0为半径的圆时，判定为抵达目标航点；或者已经经过此航段已进入下一航段，但是未判别到进入上述圆中；目标航点切换为下一航点[x
d
(k+1),y
d
(k+1)]，当前航点号加一，此时目标航段变成[x
d
(k),y
d
(k)]→
[x
d
(k+1),y
d
(k+1)]，期望的航向角变成直到最后一个目标点；
[0031]当无人船航行的期望轨迹设计为曲线，此时将曲线按照切线进行分割，分成不同长度的线段，由此可对曲线进行跟踪；取曲线上一点作外切线，将一条曲线分成了n段直线段，此时根据船舶当前位置与期望航段的距离，以及航段的长度来调节视线半径R与切换半径R0；
[0032]设船舶当前位置与期望航段的垂直距离为d，当目标航线未出现在无人船视线半径圆内，将此时的视线半径增大，令R'＝d，控制船舶向目标航线靠近，直到目标航线进入到视线圆内，此时视线半径等于初始设定值；当航段短于切换半径R0时，将调节航段切换的条件，由于船舶惯性大的特点，切换半径最小值应不小于一个船长L，因此令R0＝L。
[0033]另一方面，本专利技术还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。
[0034]由上述技术方案可知，本专利技术的基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，首先建立了有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，设计航向控制器以及航迹控制器，使无人船按照期望航迹航行。本专利技术的主要创新点在于：期望路线为两点间的曲线且时刻变化，故采用一种变参数的视线法对系统进行航迹跟踪控制。
[0035]首先建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与船舶航向角作差，得到目标航向角，进而得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进。
[0036]本专利技术同现有技术相比，具有如下优点：
[0037](1)针对无人船没有进入切换圆内但是已过切换航点的情况，调节算法的视线半径以及切换条件，避免船舶在航行过程中无法正常切换航段的问题，使得航迹控制更加精确。
[0038](2)视线法要求期望航段为直线组成的折线段，而由于无人船航行受到风浪流的干扰，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于，包括以下步骤，首先建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与船舶航向角作差，得到目标航向角，进而得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进。2.根据权利要求1所述的基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：S1、建立有限时间内船舶模型；S2、设计航向控制器；S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内；S4、变参数视线法实现无人船航迹跟踪控制。3.根据权利要求2所述的基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于：所述S1、建立有限时间内船舶模型具体包括：在有限时间内，将船舶当作一阶惯性模型，传递函数为其中K为增益系数，T为时间常数；上述模型的阶跃响应输出峰值为A，输入的阶跃响应系数为K1，系统输出则系统的放大系数K＝A/K1；对一阶系统的阶跃响应进行拉普拉斯反变换得到时域信号c(t)＝1
‑
e
‑
t/T
；船舶以设定速度直线航行达到稳定后，将舵转到设定舵角并保持不变，此时船舶进入回转状态。实时采集输出角速度与输入舵角数据，并分别绘制它们与试验时间的关系曲线，由于角速度与舵角之间满足此种关系即可计算出船舶在转弯时的模型参数K、T。4.根据权利要求2所述的基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于：所述S2、设计航向控制器具体包括，标准二阶系统的开环传递函数为：ξ为阻尼比，ω
n
为自然频率，第一步建立的船舶模型为再通过一个积分环节得到航向角与输入舵角之间的关系设计的控制器为W
c
(s)，由于控制器如此构成一个闭环，输入为期望的航向角，输出为传感器测量的实际航向角。5.根据权利要求2所述的基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于：所述
S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内具体包括，将不在控制范围的角度映射到这个区间里，具体映射方法参照即由DGPS获取船的经纬度，实时转换为XY平面坐标...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫蓟平，陆子龙，李宝安，
申请(专利权)人：北京航空航天大学合肥创新研究院北京航空航天大学合肥研究生院，
类型：发明
国别省市：