一种基于可变前向距离的视线导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于可变前向距离的视线导航方法，涉及导航技术领域。本发明专利技术包括：数据获取步骤、虚拟前向距离获取步骤、可行性判断步骤和虚拟期望前向距离修正步骤。本发明专利技术有助于实现仿生机器海豚在不同转弯功耗限制下完成路径跟踪任务，有效增强载体进行路径跟踪时的智能性与适应性。时的智能性与适应性。时的智能性与适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变前向距离的视线导航方法


[0001]本专利技术涉及导航
，尤其涉及一种基于可变前向距离的视线导航方法。

技术介绍

[0002]视线导航法LOS作为路径跟踪时的一种导引方法，不仅非常适用于船舶与水下机器人，对陆地机器人的路径跟踪同样具有参考价值，其适用范围广，理解相对简单，因此得到了广泛的应用。但是，任何算法都不是完美的，视线导航法也不例外。视线导航法并不是直接给定期望路径进行追踪的，而是以载体当前的视线作为追踪目标。并且，如果载体在进行路径跟踪的过程中期望路径临时发生变化，那么原本既定好的各项视线导航法的相关参数也可能失效，从而对任务产生相当不利的影响。此外，在水下机器人例如仿生机器海豚的路径跟踪控制中，因水下压强的影响，仿生机器海豚本身进行转向时的能耗代价也与地面上截然不同，而传统的视线导航法并未考虑到这点。例如：通过视线导航法计算出的追踪目标位于与载体前进方向的相反一侧，从而驱使载体进行折返运动，产生大量不必要的能量消耗；载体为满足追踪到视线导航法所给出的目标追踪点而产生过大的偏转角度与偏转角速度，导致在期望路径附近时不能及时偏转，从而造成超调过冲现象。在实际工程项目当中，海洋中的环境错综复杂，这样的过冲与剧烈偏转很可能导致冲撞礁石或能量过度消耗，后果十分严重。因此，如何改进实现导航算法，以保证载体可以以合理、高效，安全的方式进行路径跟踪，成为了船舶与水下机器人导航领域的研究热点。
[0003]传统的视线导航法思想最早来源于对船舶控制的直观理解，该理解认为，只要能够控制载体使其航向角始终对准视线角LOS角，那么载体最终就可以追踪到期望路径上。经过众多学者的不断改进，一种基于前向距离的视线导航法被广泛应用。该方法通过引入前向距离的概念，在期望路径上建立Serret
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Frenet坐标系，通过设置不同的前向距离，以达成载体不同的导引策略。前向距离选取越大，跟踪策略越激进，载体会追求更快追踪到期望路径上，反之则跟踪策略越趋于平缓。在此基础上，不少研究者通过将不同的控制方法与视线导航法相结合，从而实现了不同的控制效果。同样也有针对不同类型的预期跟踪曲线，对视线导航算法本身进行改进，从而达到更优导引效果的改进LOS算法。但上述工作都并未对前向距离的选择方面进行改进，也即都使用了固定的前向距离。一般来说，前向距离的选择需要同时依据期望路径的数据与工程实际应用的性能指标，而两者中的任意一种发生变化，都意味着需要再次人为更改前向距离，否则将出现不利影响。例如：选择较小的前向距离，虽然跟踪速度变快，但一旦期望路径发生变化，很可能导致载体会出现超调过冲现象。而选择较大的前向距离，虽然可以避免过冲现象，但会导致载体在可以尽快追踪到期望路径的情况下依旧迟迟不能完成收敛目标。
[0004]水下仿生机器海豚因在水下作业，所以其工作的环境往往是复杂多变的，其期望路径也因此不断发生变化。并且实际工程应用时，虽然存在以最短时间或是以最平稳也即最小能量消耗的方式追踪到期望路径上的要求，但大多应用场景并不以此极端为标准，而是普遍希望载体能以更合理的方式进行路径追踪。也即在没有必要消耗更多能量追求更短
追踪时间的情况下能够将追踪策略变为平缓，而在可以以较小代价尽快收敛到期望路径时将跟踪策略变为激进，从而完成快速收敛。固定的前向距离将使载体面对复杂路径时不具有适应性，更对工程师提出了严苛要求，需要工程师实时根据不同路径进行判断从而对前向距离进行计算修改，并且也无法对能量消耗进行理想控制。
[0005]因此，提出一种基于可变前向距离的视线导航方法，来解决固定前向距离视线导航法的缺陷问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于可变前向距离的视线导航方法，可以达到载体针对不同路径自主变换前向距离完成智能导航的效果。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于可变前向距离的视线导航方法，包括以下步骤：数据获取步骤：获取载体当前位置状态信息与载体当前位置状态对应的期望路径段状态信息；虚拟前向距离获取步骤：根据载体当前的位置状态信息与载体当前对应的期望路径段状态信息，初步计算出虚拟期望前向距离；可行性判断步骤：根据已计算出的虚拟期望前向距离与载体当前的位置状态获取可行性判断角，可行性判断角与可行性指标对比获得可行性判断，可行性判断满足追踪代价直接输出虚拟前向距离的视线角在期望路径段上的落点作为载体的期望追踪点进行追踪；虚拟期望前向距离修正步骤：可行性判断不满足追踪代价，根据载体当前位置状态与追踪代价对虚拟期望前向距离进行修正。
[0008]上述的方法，可选的，数据获取步骤中，载体当前运动方向与大地坐标系北轴夹角为载体偏航角，对应当前的期望跟踪路径段为，与大地坐标系北轴夹角为。
[0009]上述的方法，可选的，虚拟前向距离获取步骤中具体包括以下步骤：1）、确定虚拟前向距离的上下限；2）、确定载体进行路径跟踪时的期望效果；3）、确定虚拟前向距离的计算公式；4）、输入载体当前位置状态信息与载体当前位置状态对应的期望路径段状态信息；5）、计算虚拟前向距离。
[0010]上述的方法，可选的，虚拟前向距离的计算公式具体包括使用反正切函数，的表达式如下：
，，其中，与分别为虚拟前向距离的上限与下限。
[0011]上述的方法，可选的，计算虚拟前向距离具体包括：将作为虚拟前向距离计算输入，通过反正切函数计算出虚拟前向距离。
[0012]上述的方法，可选的，可行性判断步骤中具体包括以下步骤：1）、输入虚拟前向距离，计算得出在虚拟前向距离下虚拟视线角；2）、确定可行性判断指标与可行性判断角；3）、判断可行性：当可行性判断角满足可行性判断指标时，执行步骤4），当可行性判断角不满足可行性判断指标时，执行步骤5）；4）、输出虚拟前向距离的视线角在期望路径段上的落点作为载体的期望追踪点进行追踪；5）、进入虚拟前向距离修正步骤。
[0013]上述的方法，可选的，可行性判断角的表达式为其中，为虚拟视线角。
[0014]上述的方法，可选的，虚拟期望前向距离修正步骤中具体包括以下步骤：1）、输入可行性判断角与虚拟前向距离；2）、实时更新时变反正切修正函数；3）、通过与额定突变转弯角度计算出，并通过反正切函数计算出修正后的前向距离；4）、输出虚拟前向距离的视线角在期望路径段上的落点作为载体的期望追踪点进行追踪。
[0015]上述的方法，可选的，时变反正切修正函数表达式为：表达式为：，，，。
[0016]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于可变前向距离的视线导航方法，具有以下有益效果：1）现有技术方案中没有针对仿生机器海豚可变前向距离的视线导航法技术方案，只能使用固定前向距离的视线导航法完成既定路径跟踪；本专利技术可以使仿生机器海豚在路径跟踪时具有智能型与适应性，能够使其根据不同的期望路径实时调整跟踪策略，达成更优控制效果；2）本专利技术对仿生机器海豚的导航控制具有优越性，考虑到了仿生机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可变前向距离的视线导航方法，其特征在于，包括以下步骤：数据获取步骤：获取载体当前位置状态信息与载体当前位置状态对应的期望路径段状态信息；虚拟前向距离获取步骤：根据载体当前的位置状态信息与载体当前对应的期望路径段状态信息，初步计算出虚拟期望前向距离；可行性判断步骤：根据已计算出的虚拟期望前向距离与载体当前的位置状态获取可行性判断角，可行性判断角与可行性指标对比获得可行性判断，可行性判断满足追踪代价直接输出虚拟前向距离的视线角在期望路径段上的落点作为载体的期望追踪点进行追踪；虚拟期望前向距离修正步骤：可行性判断不满足追踪代价，根据载体当前位置状态与追踪代价对虚拟期望前向距离进行修正。2.根据权利要求1所述的一种基于可变前向距离的视线导航方法，其特征在于，数据获取步骤中，载体当前运动方向与大地坐标系北轴夹角为载体偏航角，对应当前的期望跟踪路径段为，与大地坐标系北轴夹角为。3.根据权利要求1所述的一种基于可变前向距离的视线导航方法，其特征在于，虚拟前向距离获取步骤中具体包括以下步骤：1）、确定虚拟前向距离的上下限；2）、确定载体进行路径跟踪时的期望效果；3）、确定虚拟前向距离的计算公式；4）、输入载体当前位置状态信息与载体当前位置状态对应的期望路径段状态信息；5）、计算虚拟前向距离。4.根据权利要求3所述的一种基于可变前向距离的视线导航方法，其特征在于，虚拟前向距离的计算公式具体包括使用反正切函数，的表达式如下：的表达式如...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宏，陈昭阳，巩伟杰，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：