有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的uuv航跡視線導(dǎo)引法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及欠驅(qū)動水下無人航行器在進(jìn)行軌跡跟蹤控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于水下無人航行器（UUV)水平面上只能提供縱向推力和轉(zhuǎn)艏力矩，不能提供橫 向推力，即橫向不直接可控，因此屬于欠驅(qū)動UUV。針對這一類欠驅(qū)動UUV，為了實現(xiàn)精確的 循跡跟蹤控制，視線導(dǎo)引法能夠很好解決這一問題。該方法通過設(shè)計前視向量和前視點(diǎn)，將 航跡跟蹤的二維期望位置點(diǎn)映射成一維期望艏向，通過對期望艏向的跟蹤達(dá)到航跡的精確 跟蹤。以直線段視線導(dǎo)引法為例，對于一片開闊的水域來說，UUV的航跡通常可以表示成由 一系列航跡點(diǎn)（P1，…，Pk+pk，…，PJ依次相連的形式。假設(shè)某相鄰兩航跡點(diǎn)構(gòu)成的直線段 為PlrtPk,其中Plrt和Pk分別為該直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)。這里定義Pk為UUV航跡的轉(zhuǎn)向點(diǎn)， 即當(dāng)UUV當(dāng)前位置處于以Pk為圓心，以Ra_pt為半徑的圓形鄰域內(nèi)時，UUV的期望航跡切換 為PkPk+^直線段，即此時UUV的起點(diǎn)更新為Pk、終點(diǎn)更新為Pk+1。如此循環(huán)，從而實現(xiàn)整個 期望航跡的跟蹤。
[0003] 在有海流干擾的情況下，如果直接將上述視線法得出的期望艏向角作為控制系統(tǒng) 的期望艏向，最終能跟蹤上這個期望艏向，但是會存在穩(wěn)定航跡誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的視線導(dǎo)引法存在穩(wěn)定航跡誤差的問題。
[0005] 有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的UUV航跡視線導(dǎo)引法，包括下述步驟：
[0006] 步驟一：
[0007] UUV的航跡能夠表示成由一系列航跡點(diǎn)（P1，…，Pk+Pk，…，PJ依次相連的形式； 假設(shè)某相鄰兩航跡點(diǎn)構(gòu)成的直線段為PlrtPk，其中Plrt和Pk分別為該直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)； 這里定義Pk為UUV航跡的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，即當(dāng)UUV當(dāng)前位置處于以Pk為圓心，以Ra_pt為半徑的 圓形鄰域內(nèi)時，UUV的期望航跡切換為PkPk+j^直線段，即此時UUV的起點(diǎn)更新為Pk、終點(diǎn)更 新為pk+1;
[0008] 根據(jù)視線導(dǎo)引法各個參數(shù)關(guān)系，求出艏向期望角步d:
[0009] (6,= 0j-a(t) (1)
[0010] 其中，0i為有向線段pJrfPk與北向坐標(biāo)軸的夾角，a⑴為前視向量與路徑的夾 角。
[0011] 步驟二：定義側(cè)滑角0 =atan(vAl);根據(jù)公式（2)對期望艏向指令進(jìn)行修正
[0012] i])d= 0j-a(t)-0 (2)
[0013] 其中，u和V分別為UUV在載體坐標(biāo)系下的橫向速度與縱向速度，縱向速度是UUV 沿船頭方向航行的速度，橫向速度與縱向速度垂直，atan(vAl)為反正切函數(shù)。
[0014] 本發(fā)明直接引入側(cè)滑角對期望艏向指令進(jìn)行了修正，不僅可以應(yīng)用于理想的海洋 環(huán)境，即使存在海流干擾時，同樣能夠提供精確的實時艏向角；利用本發(fā)明，UUV跟蹤上期 望航跡后，穩(wěn)定的航跡誤差為零，即消除了穩(wěn)定航跡誤差，實現(xiàn)對UUV航跡的精確跟蹤。
【附圖說明】
[0015] 圖1為直線段視線導(dǎo)引法示意圖；
[0016] 圖2為傳統(tǒng)方法UUV航跡誤差仿真結(jié)果；
[0017] 圖3為傳統(tǒng)方法UUV航跡跟蹤仿真結(jié)果；
[0018] 圖4為本發(fā)明UUV航跡誤差仿真結(jié)果；
[0019] 圖5本發(fā)明UUV航跡跟蹤仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一：結(jié)合圖1說明本實施方式，有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的UUV航跡 視線導(dǎo)引法，包括下述步驟：
[0021] 步驟一：
[0022] 對于一片開闊的水域來說，UUV的航跡能夠表示成由一系列航跡點(diǎn)（P1，??? ,P1^pk,…，Pj依次相連的形式；假設(shè)某相鄰兩航跡點(diǎn)構(gòu)成的直線段為PlrtPk^mPkjPPk 分別為該直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)；這里定義Pk為UUV航跡的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，即當(dāng)UUV當(dāng)前位置處于 以Pk為圓心，以Ra_pt為半徑的圓形鄰域內(nèi)時，UUV的期望航跡切換為PkPk+1的直線段，即此 時UUV的起點(diǎn)更新為pk、終點(diǎn)更新為pk+1jn此循環(huán)，從而實現(xiàn)整個期望航跡的跟蹤；
[0023] 根據(jù)視線導(dǎo)引法各個參數(shù)關(guān)系，求出艏向期望角步d:
[0024] (6,= 0j-a(t) (1)
[0025] 其中，為有向線段pHPk與北向坐標(biāo)軸的夾角，a⑴為前視向量與路徑的夾 角。
[0026] 步驟二：定義側(cè)滑角0 =atan(v/u);根據(jù)公式（2)對期望艏向指令進(jìn)行了修正
[0027] i])d= 0j-a(t)-0 (2)
[0028] 其中，u和V分別為UUV在載體坐標(biāo)系下的橫向速度與縱向速度，縱向速度是UUV 沿船頭方向航行的速度，橫向速度與縱向速度垂直，atan(vAl)為反正切函數(shù)；
[0029] 【具體實施方式】二：本實施方式所述的步驟1所述的視線導(dǎo)引法各個參數(shù)關(guān)系如 下：
【主權(quán)項】
1. 有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的UUV航跡視線導(dǎo)引法，其特征在于它包括下述步驟： 步驟一： UUV的航跡能夠表示成由一系列航跡點(diǎn)（P1，…，Pk+ Pk，…，PJ依次相連的形式；假設(shè) 某相鄰兩航跡點(diǎn)構(gòu)成的直線段為PlrtPk,其中Plrt和P k分別為該直線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)；這里 定義Pk為UUV航跡的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，即當(dāng)UUV當(dāng)前位置處于以P k為圓心，以R a_pt為半徑的圓形 鄰域內(nèi)時，UUV的期望航跡切換為PkP k+^直線段，即此時UUV的起點(diǎn)更新為P k、終點(diǎn)更新為 Pk+1; 根據(jù)視線導(dǎo)引法各個參數(shù)關(guān)系，求出艏向期望角Ih: ^d= β i_a (t) (I) 其中，β?為有向線段P IrfPk與北向坐標(biāo)軸的夾角，a (t)為前視向量與路徑的夾角； 步驟二：定義側(cè)滑角β = a tan (v/u);根據(jù)公式（2)對期望艏向指令進(jìn)行修正 Φ d= β i- a (t) - β (2) 其中，u和ν分別為UUV在載體坐標(biāo)系下的橫向速度與縱向速度，縱向速度是UUV沿船 頭方向航行的速度，橫向速度與縱向速度垂直，a tan(v/u)為反正切函數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的UUV航跡視線導(dǎo)引法，其特征在 于步驟1所述的視線導(dǎo)引法各個參數(shù)關(guān)系如下： β i - a tan2 (y k-yk-" Xr-Xh) δ (t) = β「a tan2 (yk_yt，xk-xt)
ε (t) = d (t) *sin ( δ (t)) i])d= β j-a (t) β?為有向線段P I1Pk與北向坐標(biāo)軸的夾角，（xt，yt)為UUV的實時位置坐標(biāo)，ε⑴為 路徑跟蹤的橫向誤差，δ (t)為UUV當(dāng)前位置到路徑端點(diǎn)連線與路徑的夾角，d(t)為UUV當(dāng) 前位置與路徑端點(diǎn)之間的距離，Λ為選取的前視向量，1]^為艏向期望角，a (t)為前視向量 與路徑的夾角。
【專利摘要】有環(huán)境干擾下考慮側(cè)滑角的UUV航跡視線導(dǎo)引法，涉及欠驅(qū)動水下無人航行器在進(jìn)行軌跡跟蹤控制方法。傳統(tǒng)的UUV航跡視線導(dǎo)引法在有環(huán)境干擾的情況下，存在穩(wěn)定航跡誤差，本發(fā)明為了消除穩(wěn)定航跡誤差，直接引入側(cè)滑角β＝a tan(v/u)對期望艏向指令進(jìn)行了修正，根據(jù)修正后的艏向期望角ψd＝βi-α(t)-β對艏向角度進(jìn)行調(diào)整，能夠消除穩(wěn)定航跡誤差，實現(xiàn)對UUV航跡的精確跟蹤。本發(fā)明適用于欠驅(qū)動水下無人航行器在進(jìn)行軌跡跟蹤控制。
【IPC分類】G05D1-02
【公開號】CN104765370
【申請?zhí)枴緾N201510178044
【發(fā)明人】陳興林, 高怡然, 于志亮, 崔寧, 徐川川, 李松, 羅文嘉, 李松峰, 耿光曉
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月15日