一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法技术

本发明专利技术涉及水下自主无人航行器控制技术领域，尤其涉及一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法。该方法与传统的航路跟踪控制方法的主要区别在于传统的水下航行器控制方法在跟踪最后一段航路时，从整个航路起始点至航路终点均引入位置偏差进行纠偏，并且在控制时更注重控制算法本身而未考虑水下航行器的状态，而本方法提出的一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法，在水下航行器接近航路终点(目标点)时，引入位置偏差角的概念，同时在整个控制过程中考虑水下航行器的航向和纵向航行状态，从而提高水下航行器控制的平稳性和到达目标点的精度。和到达目标点的精度。和到达目标点的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及水下自主无人航行器控制
，尤其涉及一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]自主水下航行器已经成为当前的热门研究课题，全球范围内各国都在加紧研制和开发最新成果的自主水下航行器，以适应对技术要求日渐增加的军事方面和民用方面上的需求。在军用方面，因其能在敌方防潜设备外进行航行并执行对敌海域的侦查、探测和打击任务而广泛受到重视。
[0003]目前，如神经网络控制、模糊控制、滑模控制和模糊PID控制等各种控制算法均已经被应用到了水下航行器的运动控制中，这些控制算法在不同的场景中各有各的优点，但是也有不足之处，最为明显的是这些控制算法更多地关注于算法本身，如算法参数、算法复杂度与算法的实际控制效果等，往往忽视了水下航行器本身的状态。水下航行器在水流这种流体中的航行是一种非常复杂的六自由度运动，根据流体力学所知，其运动状态非常不稳定，例如在水下航行器转向时，同时会发生滚转，此时水平舵面提供的上升的力降低，导致水下航行器深度增加，随后带来一系列姿态相关的变化。这种与姿态相关的控制问题往往不是算法本身能够解决的，这也为其运动控制带来的很大的难度。这种控制问题在水下航行器进行航路跟踪至最后一个航段之前带来的影响相对较小，但是在航行至最后一个航段时，可能会偏离最终目标点位置。因此，在控制水下航行器运动时，除了控制算法，也需要考虑水下航行器的运动状态，两者结合，才能提高水下航行器控制的平稳性和到达目标点的精度。
[0004]现有技术的水下航行器控制方法在跟踪最后一段航路时，从整个航路起始点至航路终点均引入了位置偏差进行纠偏，并且在控制时更注重控制算法本身，而未考虑水下航行器的状态，因此控制平稳性和航行位置精度均不高。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法，能够提高水下航行器控制的平稳性，且能够提升水下航行器到达目标点时的位置精度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0008]S1，设置虚拟波束截获区域作为所述水下航行器航路跟踪控制方法的切换条件；
[0009]S2，根据导航信息计算水下航行器与期望航路的偏差角；
[0010]S3，基于所述偏差角计算生成水下航行器的引导指令；
[0011]S4，通过所述引导指令计算水下航行器各舵面的偏转角，进行水下航行器的航向和纵向控制。
[0012]进一步的，在步骤S1中，所述虚拟波束包括水平虚拟波束与垂直虚拟波束。
[0013]所述水平虚拟波束在最后一段航路的水平剖面内，以航路终点为起点生成两条与航路方向相反的两条虚拟射线一，所述两条虚拟射线一与最后一段航路所成的夹角相同；
[0014]所述垂直虚拟波束在最后一段航路的垂直剖面内，以航路终点为起点生成两条与航路方向相反的两条虚拟射线二，所述两条虚拟射线二与最后一段航路所成的夹角相同；
[0015]所述两条虚拟射线一与两条虚拟射线二围成的四棱锥型空间区域即为所述截获区域。
[0016]进一步的，在步骤S2中，所述偏差角包括水平位置偏差角和垂直位置偏差角。
[0017]所述水平位置偏差角μ和垂直位置偏差角η通过下式进行计算：
[0018][0019]式中，Z
d
为水下航行器当前位置到最后一段航线垂直投影面上的距离，L
c
为水下航行器当前位置与期望航线航路终点的连线段距离，Y0为期望航线与航路终点水平投影面的垂直距离，L0为期望航线与航路终点水平投影面的投影距离，Y
c
为水下航行器在航路终点垂直投影面上的投影位置与航路终点水平投影面的垂直距离，L
c
为水下航行器在航路终点水平投影面的投影位置与航路终点的距离。
[0020]进一步的，在步骤S3中，所述引导指令包括速度指令、深度指令与航向指令。
[0021]所述深度指令Y
g
和航向指令φ
g
通过下式进行计算：
[0022][0023]式中，V
c
为水下航行器当前航行速度，K
grads
为水下航行器当前位置与盘中终点连线的梯度，S
c
为水下航行器当前位置与航路终点的连线距离，K
η
，K
μ
，K
μI
，均为指令计算参数，为定值，需要进行测试调参得到。
[0024]进一步的，在步骤S4中，所述舵面包括垂直舵面、水平舵面和差动舵面。
[0025]进一步的，在步骤S4中，所述水下航行器的航向和纵向控制，其控制构型如下式：
[0026][0027]式中，ΔY为深度偏差，ΔY＝Y
c
‑
Y
g
，δ
ε
、δ
r
、δ
d
分别表示水下航行器的垂直舵角、水平舵角、差动舵角，δ
ε0
、δ
r0
、δ
d0
分别表示水下航行器在平衡状态下的垂直舵面偏转角、水平舵面偏转角、差动舵面偏转角，可以通过配平得到；其他的各参数均为控制指令计算参数，均为定值，需要进行测试调参得到。
[0028]进一步的，在步骤S1中，所述水下航行器航路跟踪控制方法的切换条件为：当水下航行器到达最后一段航路，且水下航行器实时的水平位置偏差角与垂直位置偏差角在所述虚拟波束截获区域内。
[0029]本专利技术与现有技术相比具有以下主要的优点：
[0030]采用本申请提出的一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法，在水下航行器接近航路终点(目标点)时，引入位置偏差角的概念，同时在整个控制过程中考虑水下航行器的航向和纵向航行状态，从而提高水下航行器控制的平稳性和到达目标点时的位置精度。
附图说明
[0031]图1为本专利技术一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法的整体流程图；
[0032]图2为本专利技术实施例中虚拟波束截获区域设置原理图；
[0033]图3为本专利技术实施例中偏差角计算原理图
[0034]图4为本专利技术实施例中水下航行器航路跟踪控制方法的实施流程图。
具体实施方式
[0035]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036]需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本专利技术的目的。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于偏差角的水下航行器航路跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，设置虚拟波束截获区域作为所述水下航行器航路跟踪控制方法的切换条件；S2，根据导航信息计算水下航行器与期望航路的偏差角；S3，基于所述偏差角计算生成水下航行器的引导指令；S4，通过所述引导指令计算水下航行器各舵面的偏转角，进行水下航行器的航向和纵向控制。2.根据权利要求1所述的一种基于数字化规则的船舶弯管模型质量检查方法，其特征在于步骤S1中，所述虚拟波束包括水平虚拟波束与垂直虚拟波束。3.根据权利要求2所述的一种基于数字化规则的船舶弯管模型质量检查方法，其特征在于：所述水平虚拟波束在最后一段航路的水平剖面内，以航路终点为起点生成两条与航路方向相反的两条虚拟射线一，所述两条虚拟射线一与最后一段航路所成的夹角相同；所述垂直虚拟波束在最后一段航路的垂直剖面内，以航路终点为起点生成两条与航路方向相反的两条虚拟射线二，所述两条虚拟射线二与最后一段航路所成的夹角相同；所述两条虚拟射线一与两条虚拟射线二围成的四棱锥型空间区域即为所述截获区域。4.根据权利要求1所述的一种基于数字化规则的船舶弯管模型质量检查方法，其特征在于步骤S2中，所述偏差角包括水平位置偏差角和垂直位置偏差角。5.根据权利要求4所述的一种基于数字化规则的船舶弯管模型质量检查方法，其特征在于：所述水平位置偏差角μ和垂直位置偏差角η通过下式进行计算：式中，Z
d
为水下航行器当前位置到最后一段航线垂直投影面上的距离，L
c
为水下航行器当前位置与期望航线航路终点的连线段距离，Y0为期望航线与航路终点水平投影面的垂直距离，L0为期望航线与航路终点水平投影面的投影距离，Y
c
为水下航行器在航路终点垂直投影面上的投影位置与航路终点水平投影面的垂直距离，L
c
为水下航行器在航路终点水平投影面的投影位置与航路终点的距离。6.根据权利要求1所述的一种基于数字化规则的船舶弯管模...

【专利技术属性】
技术研发人员：程垦，李锦峰，王奕霖，胥文清，黄金锋，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：