一种单路径导引的多无人水面艇协同路径跟踪方法技术

本发明专利技术提供一种单路径导引下的多无人艇协同路径跟踪的方法。本发明专利技术方法，包括：建立无人水面艇三自由度模型；对于给定的参数化路径曲线，表示出跟踪误差；假定多无人水面艇系统中有两个虚拟领导者，使虚拟领导者的运动独立于其他无人水面艇；根据控制目标的路径参数确定更新律，使路径参数均匀地分散在两个虚拟领导者之间；通过降维观测器估计复合扰动，得出目标无人水面艇的制导律并以此来设计动力学层次的PID控制器。本发明专利技术的技术方案解决了现有技术中由于连续系统精度低，导致无人水面艇在有限空间内无法并排航行的问题。本发明专利技术可以通过准确估计动态路径参数系统中的复合扰动，设计出每个无人水面艇的分布式指令纵向速度，从而实现全局协同。从而实现全局协同。从而实现全局协同。

【技术实现步骤摘要】
一种单路径导引的多无人水面艇协同路径跟踪方法


[0001]本专利技术属于无人艇领域，主要涉及一种单路径导引下的多无人艇协同路径跟踪的方法。

技术介绍

[0002]海洋作为资源要地，它在可持续发展问题上占领着至关重要的地位。当前，世界各国高度重视海洋领域和海洋资源，争先发展海洋空间控制等相关技术，海洋航行器应运而生。无人水面艇(Unmanned surface vehicle，USV)作为一种无需遥控的水面全自动机器人，即使在复杂又危险的海况下，也能凭借卫星定位和船身搭载的多个传感器实现长时间作业，出色地完成各种预先分配的高难度任务。
[0003]随着自主水面舰船的技术不断发展，无人水面艇技术也得到了广泛的关注和研究。多无人水面艇协同路径跟踪技术是无人水面艇领域的研究热点之一，它可以实现多艘无人水面艇在水面上协同工作，完成复杂的任务，如海上巡逻、水下勘探等。通常情况下，协同的路径跟踪控制任务可以分解为设计一个制导子系统和一个速度控制子系统，从而形成一个级联制导控制方案来解决合作路径跟踪问题。在制导子系统中，主要任务是设计目标航向角和目标纵向速度，以便分别实现每个无人水面艇的对路径的精确跟踪和无人水面艇之间的协同。一方面，LOS制导技术由于其结构简单、易于实现的突出优点，在生成目标航向角方面得到了广泛的应用。另一方面，基于路径变量的协同方法也被开发出来以实现车辆协同。一般来说，这种方法只能实现平行编队，即多路径导引。这些成果极大地丰富了多艘USV的协同路径跟踪理论。
[0004]现有多无人水面艇协同制导问题的研究大部分都基于全驱动船舶运动模型，但是在工业应用中，无人水面艇通常只装配推进器和舵装置用于控制前进速度与航向，但没有装配侧推器，属于欠驱动系统。其次，现有理论研究绝大部分都是讨论的连续系统下的多船协同控制，和连续系统相比较而言，采样控制系统处理精度更高，更为可靠，抗干扰能力和通用性都增强，加之实际系统中的控制通常采用离散量。此外，现有研究大多针对的是多路径导引的多船系统，然而当多无人水面艇系统作业空间面窄或需要穿越较为狭小的空间时，在有限的空间条件下，设计多条路径让多艘无人水面艇并排航行并非易事。
[0005]综上所述，研究单路径导引下的欠驱动无人水面艇协同路径跟踪问题是很有必要的。在此背景下，基于LOS的制导框架，设计了一个期望航向角，使所有无人水面艇都能遵循预定的路径。通过准确估计动态路径参数系统中虚拟领导和相邻MSV所引起的综合干扰，设计出每个无人水面艇的分布式指令纵向速度。从而实现全局协同。

技术实现思路

[0006]根据上述提出单路径导引下的欠驱动无人水面艇协同作业空间面窄的技术问题，而提供一种单路径导引下的多无人水面艇的协同路径跟踪方法。本专利技术主要利用LOS的制导框架，结合RESO技术，开发协同制导律，设计期望航向角和纵向速度从而实现无人水面艇
在单路径导引下的协同。
[0007]本专利技术采用的技术手段如下：
[0008]一种单路径导引下的多无人水面艇的协同路径跟踪方法，包括：
[0009]S1、建立无人水面艇三自由度模型，并进行离散化处理；
[0010]S2、对于给定的参数化路径曲线，定义路径切线角，并表示出其纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
；
[0011]S3、假定多无人水面艇系统中有两个虚拟领导者，使虚拟领导者的运动独立于其他无人水面艇；
[0012]S4、根据控制目标的路径参数确定更新律，使路径参数均匀地分散在两个虚拟领导者之间；
[0013]S5、通过降维观测器估计复合扰动，得出目标无人水面艇的制导律；
[0014]S6、根据目标无人水面艇的制导律设计动力学层次的PID控制器。
[0015]进一步地，所述步骤S1具体包括：
[0016]考虑一个由N艘无人水面艇组成的多无人水面艇系统，分别标号为无人水面艇1到N；
[0017]对建立的无人水面艇三自由度模型进行离散化处理，得到：
[0018][0019][0020]其中，i表示N艘无人水面艇中的目标无人水面艇，x,y分别表示纵向、横向上的位移，ψ∈[0,2π]代表艏摇角，定义正北方向为0
°
，u,v,r分别为纵向、横漂、艏摇角速度，τ
wu
、τ
wv
、τ
wr
表示由未知风、波和洋引起的扰动矢量，τ
u
表示前进的推进力，τ
r
表示转艏力矩；m
u
,m
v
,m
r
均为惯性参数，d
u
,d
v
,d
r
代表阻尼参数。
[0021]进一步地，所述步骤S2具体包括：
[0022]给定参数化路径曲线(x
ip
(θ
i
),y
ip
(θ
i
))，其中θ
i
是路径参数；
[0023]设定路径切向角为：
[0024]ψ
ip
(θ
i
)＝atan2(y'
ip
(θ
i
),x'
ip
(θ
i
))
[0025]其中，
[0026]将处于(x
i
,y
i
)的无人水面艇的纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
表示为：
[0027][0028]对处于(x
i
,y
i
)的无人水面艇的纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
进行离散操
作，得出离散形式如下：
[0029][0030]其中，β
i
(k)＝arctan(v
i
(k)/u
i
(k))是侧滑角，为实际速度，为虚拟参考点的速度，Δθ
i
(k)＝θ
i
(k+1)
‑
θ
i
(k)。
[0031]进一步地，所述步骤S3具体包括：
[0032]设定两个虚拟领导者下标分别为N+1和N+2，路径参数分别为：
[0033]θ
N+1
(k+1)＝θ
N+1
(k)+T
s
×
u
d
(k)
[0034]θ
N+2
(k+1)＝θ
N+2
(k)+T
s
×
u
d
(k)
[0035]式中，u
d
为参考速度。为了更具一般性，做出假设θ
N+1
(1)＜θ
N+2
(1)；
[0036]设定控制目标为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单路径导引下的多无人水面艇的协同路径跟踪方法，其特征在于，包括：S1、建立无人水面艇三自由度模型，并进行离散化处理；S2、对于给定的参数化路径曲线，定义路径切线角，并表示出其纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
；S3、假定多无人水面艇系统中有两个虚拟领导者，使虚拟领导者的运动独立于其他无人水面艇；S4、根据控制目标的路径参数确定更新律，使路径参数均匀地分散在两个虚拟领导者之间；S5、通过降维观测器估计复合扰动，得出目标无人水面艇的制导律；S6、根据目标无人水面艇的制导律设计动力学层次的PID控制器。2.根据权利要求1所述的单路径导引下的多无人水面艇的协同路径跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：考虑一个由N艘无人水面艇组成的多无人水面艇系统，分别标号为无人水面艇1到N；对建立的无人水面艇三自由度模型进行离散化处理，得到：对建立的无人水面艇三自由度模型进行离散化处理，得到：其中，i表示N艘无人水面艇中的目标无人水面艇，x,y分别表示纵向、横向上的位移，ψ∈[0,2π]代表艏摇角，定义正北方向为0
°
，u,v,r分别为纵向、横漂、艏摇角速度，τ
wu
、τ
wv
、τ
wr
表示由未知风、波和洋引起的扰动矢量，τ
u
表示前进的推进力，τ
r
表示转艏力矩；m
u
,m
v
,m
r
均为惯性参数，d
u
,d
v
,d
r
代表阻尼参数。3.根据权利要求1所述的单路径导引下的多无人水面艇的协同路径跟踪，其特征在于，所述步骤S2具体包括：给定参数化路径曲线(x
ip
(θ
i
),y
ip
(θ
i
))，其中θ
i
是路径参数；设定路径切向角为：ψ
ip
(θ
i
)＝atan2(y'
ip
(θ
i
),x'
ip
(θ
i
))其中，将处于(x
i
,y
i
)的无人水面艇的纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
表示为：对处于(x
i
,y
i
)的无人水面艇的纵向跟踪误差x
ie
和横向跟踪误差y
ie
进行离散操作，得出离散形式如下：
其中，β
i
(k)＝arctan(v
i
(k)/u
i
(k))是侧滑角，为实际速度，为虚拟参考点的速度，Δθ
i
(k)＝θ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁永鹏，张秋霞，代子杰，陈泓冶，程金瑶，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：