CN104765370A - 有环境干扰下考虑侧滑角的uuv航迹视线导引法 - Google Patents

Abstract

有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法，涉及欠驱动水下无人航行器在进行轨迹跟踪控制方法。传统的UUV航迹视线导引法在有环境干扰的情况下，存在稳定航迹误差，本发明为了消除稳定航迹误差，直接引入侧滑角β＝a tan(v/u)对期望艏向指令进行了修正，根据修正后的艏向期望角ψ_d＝β_i-α(t)-β对艏向角度进行调整，能够消除稳定航迹误差，实现对UUV航迹的精确跟踪。本发明适用于欠驱动水下无人航行器在进行轨迹跟踪控制。

Description

有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法

技术领域

本发明涉及欠驱动水下无人航行器在进行轨迹跟踪控制方法。

背景技术

由于水下无人航行器(UUV)水平面上只能提供纵向推力和转艏力矩，不能提供横向推力，即横向不直接可控，因此属于欠驱动UUV。针对这一类欠驱动UUV，为了实现精确的循迹跟踪控制，视线导引法能够很好解决这一问题。该方法通过设计前视向量和前视点，将航迹跟踪的二维期望位置点映射成一维期望艏向，通过对期望艏向的跟踪达到航迹的精确跟踪。以直线段视线导引法为例，对于一片开阔的水域来说，UUV的航迹通常可以表示成由一系列航迹点{P₁,…,P_k-1,P_k,…,P_n}依次相连的形式。假设某相邻两航迹点构成的直线段为P_k-1P_k，其中P_k-1和P_k分别为该直线段的起点和终点。这里定义P_k为UUV航迹的转向点，即当UUV当前位置处于以P_k为圆心，以R_accept为半径的圆形邻域内时，UUV的期望航迹切换为P_kP_k+1的直线段，即此时UUV的起点更新为P_k、终点更新为P_k+1。如此循环，从而实现整个期望航迹的跟踪。

在有海流干扰的情况下，如果直接将上述视线法得出的期望艏向角作为控制***的期望艏向，最终能跟踪上这个期望艏向，但是会存在稳定航迹误差。

发明内容

本发明为了解决现有的视线导引法存在稳定航迹误差的问题。

有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法，包括下述步骤：

步骤一：

UUV的航迹能够表示成由一系列航迹点{P₁,…,P_k-1,P_k,…,P_n}依次相连的形式；假设某相邻两航迹点构成的直线段为P_k-1P_k，其中P_k-1和P_k分别为该直线段的起点和终点；这里定义P_k为UUV航迹的转向点，即当UUV当前位置处于以P_k为圆心，以R_accept为半径的圆形邻域内时，UUV的期望航迹切换为P_kP_k+1的直线段，即此时UUV的起点更新为P_k、终点更新为P_k+1；

根据视线导引法各个参数关系，求出艏向期望角ψ_d：

ψ_d＝β_i-α(t)   (1)

其中，β_i为有向线段p_k-1p_k与北向坐标轴的夹角，α(t)为前视向量与路径的夹角。

步骤二：定义侧滑角β＝atan(v/u)；根据公式(2)对期望艏向指令进行修正

ψ_d＝β_i-α(t)-β   (2)

其中，u和v分别为UUV在载体坐标系下的横向速度与纵向速度，纵向速度是UUV沿船头方向航行的速度，横向速度与纵向速度垂直，atan(v/u)为反正切函数。

本发明直接引入侧滑角对期望艏向指令进行了修正，不仅可以应用于理想的海洋环境，即使存在海流干扰时，同样能够提供精确的实时艏向角；利用本发明，UUV跟踪上期望航迹后，稳定的航迹误差为零，即消除了稳定航迹误差，实现对UUV航迹的精确跟踪。

附图说明

图1为直线段视线导引法示意图；

图2为传统方法UUV航迹误差仿真结果；

图3为传统方法UUV航迹跟踪仿真结果；

图4为本发明UUV航迹误差仿真结果；

图5本发明UUV航迹跟踪仿真结果。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法，包括下述步骤：

步骤一：

对于一片开阔的水域来说，UUV的航迹能够表示成由一系列航迹点{P₁,…,P_k-1,P_k,…,P_n}依次相连的形式；假设某相邻两航迹点构成的直线段为P_k-1P_k，其中P_k-1和P_k分别为该直线段的起点和终点；这里定义P_k为UUV航迹的转向点，即当UUV当前位置处于以P_k为圆心，以R_accept为半径的圆形邻域内时，UUV的期望航迹切换为P_kP_k+1的直线段，即此时UUV的起点更新为P_k、终点更新为P_k+1；如此循环，从而实现整个期望航迹的跟踪；

根据视线导引法各个参数关系，求出艏向期望角ψ_d：

ψ_d＝β_i-α(t)   (1)

其中，β_i为有向线段p_k-1p_k与北向坐标轴的夹角，α(t)为前视向量与路径的夹角。

步骤二：定义侧滑角β＝atan(v/u)；根据公式(2)对期望艏向指令进行了修正

ψ_d＝β_i-α(t)-β   (2)

其中，u和v分别为UUV在载体坐标系下的横向速度与纵向速度，纵向速度是UUV沿船头方向航行的速度，横向速度与纵向速度垂直，atan(v/u)为反正切函数；

具体实施方式二：本实施方式所述的步骤1所述的视线导引法各个参数关系如下：

β_i＝atan2(y_k-y_k-1,x_k-x_k-1)

δ(t)＝β_i-atan2(y_k-y_t,x_k-x_t)

$d\left(t\right)=\sqrt{{(x_k-x_t)}^2+{(y_k-y_t)}^2}$

ε(t)＝d(t)*sin(δ(t))

ψ_d＝β_i-α(t)

视线导引法原理如图1所示，β_i为有向线段p_k-1p_k与北向坐标轴的夹角，(x_t,y_t)为UUV的实时位置坐标，ψ(t)为UUV的实时艏向角，ε(t)为路径跟踪的横向误差，δ(t)为UUV当前位置到路径端点连线与路径的夹角，d(t)为UUV当前位置与路径端点之间的距离，△为选取的前视向量(△的选取通常为2～6倍的UUV长度，太大会导致跟踪响应变慢，太小会导致***不稳定)，p_los(x_los,y_los)为视线引导法生成的前视点，ψ_d为艏向期望角，α(t)为前视向量与路径的夹角。

其它步骤与具体实施方式一相同。

实施例

将该方法用于UUV航迹跟踪的matlab仿真，选取△为4(UUV长度1.929米)，设置初始值(x₀,y₀)为(0,0)，(v₀,u₀)为(0,0)。(其余参数没有设定初始值，都是通过公式推导得出结果的，且随着UUV行驶是实时更新的)

仿真结果如下：

在有海流干扰情况下，传统的UUV航迹视线导引法，仿真结果如图2-图3所示；

图3中直线的轨迹是人为给定的期望航迹，虚线轨迹为实际航迹，从仿真结果可以看出UUV能够跟踪上期望轨迹，但是从图2可以看出UUV跟踪上航行轨迹后一直存在着一个稳定的航迹误差。

有海流干扰情况下，本发明所述的视线导引法，仿真结果如图4-图5所示；

由仿真结果可以看出，在条件相同的情况下，本发明仿真结果中，图5中UUV跟踪上了期望航迹；图4中可以看出，UUV跟踪上期望航迹后，稳定的航迹误差为零。

Claims (2)

1.有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法，其特征在于它包括下述步骤：

步骤一：

UUV的航迹能够表示成由一系列航迹点{P₁,…,P_k-1,P_k,…,P_n}依次相连的形式；假设某相邻两航迹点构成的直线段为P_k-1P_k，其中P_k-1和P_k分别为该直线段的起点和终点；这里定义P_k为UUV航迹的转向点，即当UUV当前位置处于以P_k为圆心，以R_accept为半径的圆形邻域内时，UUV的期望航迹切换为P_kP_k+1的直线段，即此时UUV的起点更新为P_k、终点更新为P_k+1；

根据视线导引法各个参数关系，求出艏向期望角ψ_d：

ψ_d＝β_i-α(t)          (1)

其中，β_i为有向线段p_k-1p_k与北向坐标轴的夹角，α(t)为前视向量与路径的夹角；

步骤二：定义侧滑角β＝a tan(v/u)；根据公式(2)对期望艏向指令进行修正

ψ_d＝β_i-α(t)-β          (2)

其中，u和v分别为UUV在载体坐标系下的横向速度与纵向速度，纵向速度是UUV沿船头方向航行的速度，横向速度与纵向速度垂直，a tan(v/u)为反正切函数。

2.根据权利要求1所述的有环境干扰下考虑侧滑角的UUV航迹视线导引法，其特征在于步骤1所述的视线导引法各个参数关系如下：

β_i＝a tan2(y_k-y_k-1,x_k-x_k-1)

δ(t)＝β_i-a tan2(y_k-y_t,x_k-x_t)

$d\left(t\right)=\sqrt{{(x_k-x_t)}^2+{(y_k-y_t)}^2}$

ε(t)＝d(t)*sin(δ(t))

ψ_d＝β_i-α(t)

β_i为有向线段p_k-1p_k与北向坐标轴的夹角，(x_t,y_t)为UUV的实时位置坐标，ε(t)为路径跟踪的横向误差，δ(t)为UUV当前位置到路径端点连线与路径的夹角，d(t)为UUV当前位置与路径端点之间的距离，△为选取的前视向量，ψ_d为艏向期望角，α(t)为前视向量与路径的夹角。