基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，包括：建立USV的非线性数学模型；获取虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型；获取USV的制导模型；获取USV系统的运动学控制器；获取USV系统的动力学控制器，对USV系统进行控制。本发明专利技术的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，通过建立USV模型的虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型，在制导算法中加入了能够考虑障碍物自身形状的避障机制，解决了现有的自适应控制的避障算法大多把障碍物看作一个质点的问题，使得本发明专利技术的避障机制更加的可靠，增强了船舶的自主避碰性能。强了船舶的自主避碰性能。强了船舶的自主避碰性能。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶控制工程与船舶自动化航行装备应用
，尤其涉及一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]针对USV的路径跟踪控制一直是研究的热点，现在关于对船舶的模型不确定性，突发故障，执行器饱和等问题，国内外学者在USV路径跟踪控制方面做了大量研究工作，但是这些研究都是建立在在大洋航行的基础上的USV的路径跟踪控制，其路径跟踪精度普遍不高，路径跟踪精度适用于执行一般任务的USV。然而，随着USV技术的发展，其在海洋开发和军事领域的应用越来越多，因此对于USV的性能要求也变得多样化。如海洋电缆的精密维护、航道区域水下地形测量等任务，对USV的跟踪精度要求很高。现有的自适应控制的避障算法大多把障碍物看作一个质点，而忽略了其本身的几何形状，导致避障机制的性能较低。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，以克服上述技术问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0005]一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0006]S1：建立USV的非线性数学模型；
[0007]S2：根据所述USV的非线性数学模型，获取虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型；
[0008]S3：根据所述虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型，获取USV的制导模型；
[0009]S4：根据所述USV的制导模型，获取USV系统的运动学控制器；
[0010]S5：根据所述USV系统的运动学控制器，获取USV系统的动力学控制器，对USV系统进行控制。
[0011]进一步的，所述S1中，USV的非线性数学模型建立如下：
[0012][0013]式中：x
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时的船舶前进方向位移；y
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时的船舶横漂方向位移；ψ
k
代表无人水面船舶
[0014]·
[0015]在第k次迭代时的航向角；()代表求导运算；|
·
|代表求绝对值运算；u
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时前进方向的速度；v
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时横漂方向的速度；r
k
代表代表无人水面船舶在第k次迭代时的航向角角速度；f
u
(v)代表前进方向船体结构不确定项；f
v
(v)代表横漂方向船体结构不确定项；f
r
(v)代表艏摇方向船体结构不确定项；m
u
代表前进方向船体附加质量；m
v
代表前进方向船体附加质量；m
r
代表艏摇方向船体附加质量；d
wu
代表前进方向海洋环境干扰项；d
wv
代表横漂方向海洋环境干扰项；d
wr
代表艏摇方向海洋环境干扰项；n代表实际的控制输入的主机转速，δ代表实际的控制输入的舵角，F
u
(
·
)代表执行机构的螺旋桨转速输入的未知增益函数；T
r
(
·
)代表执行机构的舵角输入的未知增益函数；
[0016]其中，
[0017][0018]式中：t
p
代表螺旋桨周围的尾流分数，ρ代表海水密度；D
p
代表螺旋桨直径；k
T
代表推力系数；J
p
代表螺旋桨的前进系数；x
R
代表取决于船舶重心到螺旋桨叶片在船长方向的距离的尺寸参数，a
H
代表舵周围的尾流分数；x
H
是取决于船舶重心到螺旋桨叶片在船宽方向的距离的尺寸参数；Λ代表方向舵纵横比；A
R
代表方向舵面积；L代表两条垂线之间的长度；u
R
代表在尾流作用下方向舵的相对浪涌的前进速度，v
R
代表在尾流作用下方向舵的相对浪涌的摇摆速度。
[0019]进一步的，所述S2中，所述虚拟势场的引力模型建立如下：
[0020][0021]式中：U
att
(p,v)代表势场引力，k
p
代表位置分量的虚势场的正的设计参数；η
pg
(P
o
,P
g
)代表本船到目标点的距离；η
vg
(P
o
,P
g
)代表本船与目标点的速度分量；k
v
代表速度分量的虚势场的正的设计参数；x
r
代表LVS前进方向位置姿态，y
r
代表LVS横漂方向位置姿态，u
xk
代表本船前进速度在x方向的分量，u
yk
代表本船前进速度在y方向的分量，u
xr
代表LVS前进速度在x方向的分量，u
yr
代表LVS前进速度在y方向的分量。
[0022]进一步的，所述S2中，所述虚拟势场的斥力模型建立如下：
[0023][0024]式中：U
rep
表示势场斥力，u
d
代表P
‑
DVS的参考速度；l
d
代表本船与避障点的距离；x
b
代表避障点的横坐标，y
b
是避障点的纵坐标。
[0025]进一步的，所述S3中，所述USV的制导模型获取如下：
[0026][0027][0028]式中：ψ
r
代表LVS即逻辑虚拟船的航向角位置姿态；x
d
代表P
‑
DVS即势场动态虚拟船前进方向位置姿态，y
d
代表P
‑
DVS即势场动态虚拟船横漂方向位置姿态；ψ
d
代表P
‑
DVS的航向角位置姿态；u
r
代表LVS的参考速度，r代表LVS的转艏角速度；θ
F
代表所有的引力和斥力的合力方向。
[0029]进一步的，所述S4中，获取USV系统的运动学控制器方法如下：
[0030]S41：获取所述USV系统的运动学控制器的运动学误差如下：
[0031][0032]式中：x
e,k
代表迭代次数为k时实船与P
‑
DVS前进方向位置姿态误差，y
e,k
代表迭代次数为k时实船与P
‑
DVS横漂方向位置姿态误差；代表迭代次数为k时实船与P
‑
DVS航向方向的误差；代表迭代次数为k时船舶前进方向的运动学控制率；代表迭代次数为k时实船位移方向虚拟控制信号在通过滤波器时受到相位偏移和输入噪声的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立USV的非线性数学模型；S2：根据所述USV的非线性数学模型，获取虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型；S3：根据所述虚拟势场的引力模型和虚拟势场的斥力模型，获取USV的制导模型；S4：根据所述USV的制导模型，获取USV系统的运动学控制器；S5：根据所述USV系统的运动学控制器，获取USV系统的动力学控制器，对USV系统进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S1中，USV的非线性数学模型建立如下：式中：x
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时的船舶前进方向位移；y
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时的船舶横漂方向位移；ψ
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时的航向角；代表求导运算；|
·
|代表求绝对值运算；u
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时前进方向的速度；v
k
代表无人水面船舶在第k次迭代时横漂方向的速度；r
k
代表代表无人水面船舶在第k次迭代时的航向角角速度；f
u
(v)代表前进方向船体结构不确定项；f
v
(v)代表横漂方向船体结构不确定项；f
r
(v)代表艏摇方向船体结构不确定项；m
u
代表前进方向船体附加质量；m
v
代表前进方向船体附加质量；m
r
代表艏摇方向船体附加质量；d
wu
代表前进方向海洋环境干扰项；d
wv
代表横漂方向海洋环境干扰项；d
wr
代表艏摇方向海洋环境干扰项；n代表实际的控制输入的主机转速，δ代表实际的控制输入的舵角，F
u
(
·
)代表执行机构的螺旋桨转速输入的未知增益函数；T
r
(
·
)代表执行机构的舵角输入的未知增益函数；其中，式中：t
p
代表螺旋桨周围的尾流分数，ρ代表海水密度；D
p
代表螺旋桨直径；k
T
代表推力系数；J
p
代表螺旋桨的前进系数；x
R
代表取决于船舶重心到螺旋桨叶片在船长方向的距离的尺寸参数，a
H
代表舵周围的尾流分数；x
H
是取决于船舶重心到螺旋桨叶片在船宽方向的距离
的尺寸参数；Λ代表方向舵纵横比；A
R
代表方向舵面积；L代表两条垂线之间的长度；u
R
代表在尾流作用下方向舵的相对浪涌的前进速度，v
R
代表在尾流作用下方向舵的相对浪涌的摇摆速度。3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S2中，所述虚拟势场的引力模型建立如下：式中：U
att
(p,v)代表势场引力，k
p
代表位置分量的虚势场的正的设计参数；η
pg
(P
o
,P
g
)代表本船到目标点的距离；η
vg
(P
o
,P
g
)代表本船与目标点的速度分量；k
v
代表速度分量的虚势场的正的设计参数；x
r
代表LVS前进方向位置姿态，y
r
代表LVS横漂方向位置姿态，u
xk
代表本船前进速度在x方向的分量，u
yk
代表本船前进速度在y方向的分量，u
xr
代表LVS前进速度在x方向的分量，u
yr
代表LVS前进速度在y方向的分量。4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S2中，所述虚拟势场的斥力模型建立如下：式中：U
rep
表示势场斥力，u
d
代表P
‑
DVS的参考速度；l
d
代表本船与避障点的距离；x
b
代表避障点的横坐标，y
b
是避障点的纵坐标。5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S3中，所述USV的制导模型获取如下：特征在于，所述S3中，所述USV的制导模型获取如下：式中：ψ
r
代表LVS即逻辑虚拟船的航向角位置姿态；x
d
代表P
‑
DVS即势场动态虚拟船前进方向位置姿态，y
d
代表P
‑
DVS即势场动态虚拟船横漂方向位置姿态；ψ
d
代表P
‑
DVS的航向角位置姿态；u
r
代表LVS的参考速度，r代表LVS的转艏角速度；θ
F
代表所有的引力和斥力的合力方向。6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟势场制导的USV迭代学习路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S4中，获取USV系统的运动学控制器方法如下：S41：获取所述USV系统的运动学控制器的运动学误差如下：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，尚骁勇，常腾宇，李纪强，蒋畅言，章文俊，张显库，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：