環(huán)境干擾下如何實現(xiàn)精確、可靠路徑跟蹤控制是目前無人水面船（無人船）自主航行的關(guān)鍵和難點問題。從無人船路徑跟蹤控制的算法設(shè)計、系統(tǒng)實現(xiàn)和試驗驗證等三個層面開展研究:在算法設(shè)計層面,提出了考慮水流干擾條件下的自適應(yīng)視距（Line-of-sight,LOS）制導(dǎo)算法以及基于LEM（Line-of-sight&extendedstateobserver&modelpredictive control,視距-擴張狀態(tài)觀測器-模型預(yù)測控制）的自適應(yīng)路徑跟蹤控制方法;在系統(tǒng)實現(xiàn)層面,設(shè)計了無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)架構(gòu),并解決了MPC快速求解、系統(tǒng)狀態(tài)采集與不可測狀態(tài)觀測問題;在試驗驗證層面,構(gòu)建了在室外水池環(huán)境下的模型船路徑跟蹤控制試驗平臺,并在此平臺上完成了MPC與比例-積分-微分（Proportional-integral-derivative,PID）路徑跟蹤控制對比試驗,以及基于LEM與基于傳統(tǒng)LOS的MPC路徑跟蹤控制（Traditional LOS&MPC,TLM）對比試驗。試驗結(jié)果表明,構(gòu)建的無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,提出的LEM自適應(yīng)路徑跟蹤控制方法具... 

【文章來源】：機械工程學(xué)報. 2020,56(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

響應(yīng)型模型坐標(biāo)和運動參數(shù)定義(surge)(sway)

T(6)1.2自適應(yīng)視距制導(dǎo)算法由于響應(yīng)模型式(4)描述的是輸入舵令與輸出船首向之間的關(guān)系，因此需要將路徑跟蹤控制中對路徑的跟蹤轉(zhuǎn)換為對船首向的跟蹤。視距制導(dǎo)具有目標(biāo)跟蹤精確、計算簡便等優(yōu)勢，在導(dǎo)彈攔截跟蹤控制、水下航行器和船舶路徑跟蹤控制領(lǐng)域應(yīng)用較廣[17]。1.2.1自適應(yīng)接納圓的提出在路徑跟蹤中，假定目標(biāo)路徑點(,)nnnPxy、111(,)nnnPxy和222(,)nnnPxy已經(jīng)給出，則目標(biāo)路徑為111222(,)(,)(,)nnnnnnnnnPxyPxyPxy。LOS制導(dǎo)基本原理如圖2所示。圖2視距制導(dǎo)算法原理路徑跟蹤控制的目標(biāo)是使船首向與方向bLOSOP保持一致。確定LOS點LOSLOSLOSP(x,y)的方式為：以bO為圓心、LOSRnL(n1)(L為船長)為半徑的圓弧與目標(biāo)路徑nn1PP交點中距離下一路徑目標(biāo)點n2P更近的一個交點作為LOSP。計算LOSP的公式如下222LOSbLOSbLOSLOSb1LOSb1()()nnnnxxyyRyyyyxxxxLOSR定義如下LOS3||3||3LeLReLeL≤式中，e為橫向跟蹤誤差。船舶在跟蹤路徑nn1PP的過程中，當(dāng)船舶趨近目標(biāo)點n1P時，目標(biāo)路徑需要由nn1PP切換至n1n2PP。通常當(dāng)船舶進入以n1P為圓心0R為半徑的接納圓內(nèi)，即2b1()nxy22b10()nyyR≤時，開始進行目標(biāo)路徑切換。當(dāng)船舶剛進入接納圓時，LOS角LOS和相對首向角會發(fā)生突變，導(dǎo)致船舶不可避免地偏離目標(biāo)路徑。當(dāng)相鄰路徑夾角(0,π2)較小時，船舶需要更早地轉(zhuǎn)向以有充分的時間調(diào)整航向，此時如果接納圓半徑0

)。圖6系統(tǒng)狀態(tài)采集原理3試驗驗證3.1模型船試驗平臺為驗證本文提出的無人船自適應(yīng)路徑跟蹤控制系統(tǒng)在真實場景下的控制效果和可靠性，在室外水池環(huán)境構(gòu)建了基于模型船的路徑跟蹤控制系統(tǒng)試驗平臺。為滿足系統(tǒng)需要，在模型船船體上安裝了工控機(運行控制程序)、無線通信設(shè)備、鋰電池、驅(qū)動電路板(執(zhí)行控制命令)、電機、螺旋槳、舵機、角度傳感器、差分GPS接收機(室外獲取精確位置)、超聲波傳感器(避碰)、定位標(biāo)志燈(室內(nèi)獲取精確位置)等設(shè)備，具體如圖7所示。該模型船具備了遠程控制、自主路徑跟蹤控制、應(yīng)急避碰、實時數(shù)據(jù)查看等功能。在室外水池環(huán)境下的試驗平臺如圖8所示。遠程監(jiān)控計算機通過無線WiFi網(wǎng)絡(luò)可以實時操控模型船并獲取模型船運動狀態(tài)。圖9為自主研發(fā)的無人船路徑跟蹤控制系統(tǒng)程序界面，具有系統(tǒng)和控制參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)和路徑跟蹤結(jié)果實時查看、數(shù)據(jù)保存、遠程操控船舶等功能。

【參考文獻】：
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本文編號：3137846