CN111240337A - 一种欠驱动无人水面艇动力定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，包括：根据远程控制端的指令，获取无人艇动力定位的期望位置、设定的动力定位半径、实际设定的动力定位半径，其中，实际设定的动力定位半径小于设定的动力定位半径；根据无人艇上搭载的卫星和惯性导航***，获取无人艇当前所在的实际位置和实际航向；根据无人艇动力定位的期望位置和无人艇当前所在的实际位置，计算无人艇的期望航向、航向偏差角、偏差距离；当所述偏差距离不小于实际设定的动力定位半径时，设定角度阈值，进行航向偏差角调整，以使调整后的航向偏差角达到设定条件。应用本发明实施例，计算量小，对处理器性能要求不高，实现成本较低，易于实现和大规模应用。

Description

一种欠驱动无人水面艇动力定位方法
技术领域
本发明涉及无人艇技术领域，尤其涉及一种欠驱动无人水面艇动力定位方法。
背景技术
在传统航海领域中为了使船舶在海洋中保持特定的位置，“锚”是广为采用的一种简便方法。然而，当水深超过600米时锚泊方法的成本和可行性都变得较为复杂，而且新型无人船都是无“锚”设计。无人艇在执行海洋环境监测，海洋测绘等任务时经常需要定点作业，然而由于风浪流的影响，无人水面艇难以进行定点作业，所以水面环境的复杂性和现实需要的迫切性使得无人艇的动力定位技术成为无人艇研究领域中一个热点，由于通常无人艇并不配置横向推动器，属欠驱动控制，在低速运动状态下无人艇的操纵性能相对较差，难以实现对艇的镇定控制。在实际应用中实现成本是一个必须要考虑的问题，特别是当需要对水面其他平台，如集群浮标的动力定位。因此针对上述问题急需出现一种成本较低，稳定可靠，计算量小，并且可以大规模应用的动力定位方法。基于这样的需求本发明提出一种欠驱动无人水面艇动力定位方法。该方法计算量小，对处理器性能要求不高，只需要卫星和测量无人艇航向的惯性导航***，不需要其他任何传感器即可实现无人艇的动力定位。
发明内容
本发明的目的在于提供一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，该方法计算量小，对处理器性能要求不高，只需要卫星和测量无人艇航向的惯性导航***，不需要其他任何传感器即可实现无人艇的动力定位。
为了实现上述目的，本发明提供一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，所述方法包括：
根据远程控制端的指令，获取无人艇动力定位的期望位置、设定的动力定位半径、实际设定的动力定位半径，其中，实际设定的动力定位半径小于设定的动力定位半径；
根据无人艇上搭载的卫星和惯性导航***，获取无人艇当前所在的实际位置和实际航向；
根据无人艇动力定位的期望位置和无人艇当前所在的实际位置，计算无人艇的期望航向、航向偏差角、偏差距离；
当所述偏差距离不小于实际设定的动力定位半径时，设定角度阈值，其中，角度阈值的值为0°至90°范围内的任意值；
根据所述航向偏差角所在的范围和预先设置的调整策略，进行航向偏差角调整，获取调整后的航向偏差角，以使调整后的航向偏差角达到设定条件；
选取航向偏差角和偏差距离作为控制变量，采用PD控制但不限于PD控制的方法，使控制***实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向水面无人艇动力定位的期望位置。
优选的，所述根据所述航向偏差角所在的范围和预先设置的调整策略，进行航向偏差角调整，获取调整后的航向偏差角，以使调整后的航向偏差角达到设定条件的步骤，包括：
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于角度阈值小于90°时,控制无人艇原地转弯至航向偏差角的绝对值小于角度阈值；
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于90°小于第一数值时，控制无人艇原地转弯至航向偏差角的绝对值大于第一数值小于180°，其中,所述第一数值为180°与角度阈值的差值；
当无人艇的航向偏差角的绝对值小于角度阈值时，控制无人艇前进；
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于第一数值小于180°时，控制无人艇后退。
一种实现方式中，还包括：
当所述偏差距离小于实际设定的动力定位半径时，停止向无人艇左右两侧的推进器输出电压。
优选的，所述无人艇的期望航向
Figure BDA0002381612670000031
的计算公式为：
Figure BDA0002381612670000032
其中，(Xend,Yend)为无人艇动力定位的期望位置，(x(t),y(t))为无人艇当前所在的实际位置。
优选的，所述航向偏差角θ的计算公式为：
Figure BDA0002381612670000033
其中，
Figure BDA0002381612670000034
为无人艇的期望航向，ψ为无人艇的实际航向；
优选的，所述偏差距离D的计算公式为：
Figure BDA0002381612670000035
其中，(Xend,Yend)为无人艇动力定位的期望位置，(x(t),y(t))为无人艇当前所在的实际位置。
应用本发明实施例提供的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，无人艇所需要的传感器设备少，实现成本较低，控制算法简单，对控制器等硬件设备要求不高，可以满足一般无人艇或水面其他平台动力定位的精度要求，易于实现和大规模应用。
附图说明
图1是本发明实施例一种欠驱动无人水面艇动力定位方法的一种流程示意图。
图2是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(-γ,γ)时的示例图。
图3是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(γ,90°)时的示例图。
图4是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(90°,180°-γ)时的示例图。
图5是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(180°-γ,180°)∪(-180°,-(180°-γ))时的示例图。
图6是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(-(180°-γ),-90°)时的示例图。
图7是无人水面艇动力定位航线偏差角θ∈(-90°,-γ)时的示例图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1本发明提供一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，所述方法包括：
S101，根据远程控制端的指令，获取无人艇动力定位的期望位置、设定的动力定位半径、实际设定的动力定位半径，其中，实际设定的动力定位半径小于设定的动力定位半径；
需要说明的是，根据远程控制端的指令，可以确定水面无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)；设定的动力定位半径R2以及实际设定的动力定位半径R1，其中R1＜R2。
其中，设定的动力定位半径R2是指不同作业场景下规定要达到动力定位半径，实际设定的动力定位半径R1是向无人艇控制器中输入的指令值。
S102，根据无人艇上搭载的卫星和惯性导航***，获取无人艇当前所在的实际位置和实际航向；
可以理解的是，根据无人艇上搭载的卫星和惯性导航***，可以确定无人艇当前所在的实际位置(x(t),y(t))和实际航向ψ。
S103，根据无人艇动力定位的期望位置和无人艇当前所在的实际位置，计算无人艇的期望航向、航向偏差角、偏差距离；
需要说明的是，航向偏差角θ为无人艇实际航向ψ与期望航向
Figure BDA0002381612670000041
的差值；偏差距离D为无人艇当前所在的实际位置(x(t),y(t))和无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)的距离。通过无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)和无人艇当前所在的实际位置(x(t),y(t))，可以计算出无人艇的期望航向
Figure BDA0002381612670000051
Figure BDA0002381612670000052
根据无人艇实际航向ψ和期望航向
Figure BDA0002381612670000053
计算航向偏差角θ：
Figure BDA0002381612670000054
由于
Figure BDA0002381612670000055
ψ∈(0°,360°)，故θ∈(-360°,360°)，需对θ做一个限制处理将其范围限制在(-180°,180°)。
根据水面无人艇所在的实际位置(x(t),y(t))和无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)，计算偏差距离D：
Figure BDA0002381612670000056
S104，当所述偏差距离不小于实际设定的动力定位半径时，设定角度阈值，其中，角度阈值的值为0°至90°范围内的任意值；
可以理解的是，当无人艇的偏差距离D不小于实际设定的动力定位半径R1时，控制***需调整无人艇航向和航速使其驶向水面无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)，这时我们设定一个角度阈值γ(0°＜γ＜90°)。
S105，根据所述航向偏差角所在的范围和预先设置的调整策略，进行航向偏差角调整，获取调整后的航向偏差角，以使调整后的航向偏差角达到设定条件；
需要说明的是，通过判断航向偏差角θ的大小范围，来制定无人艇运动控制的规则，因此预先设置一个角度阈值γ(0°＜γ＜90°)，由于无人艇的期望航向
Figure BDA0002381612670000057
始终指向无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)，故当航向偏差角θ的绝对值大于γ小于90°时，控制无人艇原地转弯至航向偏差角θ的绝对值小于γ。当航向偏差角θ的绝对值大于90°小于180°-γ时，控制无人艇原地转弯至航向偏差角θ的绝对值大于180°-γ小于180°。当无人艇的航向偏差角θ的绝对值小于γ时，控制无人艇前进，当无人艇的航向偏差角θ的绝对值大于180°-γ小于180°时，控制无人艇后退。
具体的见表1和表2，当θ∈(-γ,γ)，无人艇的运动状态为控制器控制无人艇前进如图2。
当θ∈(γ,90°)，无人艇的运动状态为先原地向右转至θ∈(-γ,γ)，然后控制器控制无人艇前进如图3。
当θ∈(90°,180°-γ)，无人艇的运动状态为先原地向左转至θ∈(180°-γ,180°)∪(-180°,-(180°-γ))，然后控制器控制无人艇后退如图4。
当θ∈(180°-γ,180°)∪(-180°,-(180°-γ))，无人艇的运动状态为控制器控制无人艇后退如图5。
当θ∈(-(180°-γ),-90)，无人艇的运动状态为先原地向右转至θ∈(180°-γ,180°)∪(-180°,-(180°-γ))，然后控制器控制无人艇后退如图6。
当θ∈(-90°,-γ)，无人艇的运动状态为先原地向左转至θ∈(-γ,γ)，然后控制器控制无人艇前进如图7。
表1
Figure BDA0002381612670000061
表1和表2中的转弯均为固定速度值的原地转弯。
S106，选取航向偏差角和偏差距离作为控制变量，采用PD控制但不限于PD控制的方法，使控制***实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向水面无人艇动力定位的期望位置。
需要说明的是，对无人艇的控制方法，选取航向偏差角θ和偏差距离D作为控制变量，将航向偏差角θ和偏差距离D作为控制变量输入到控制器中，采用PD控制但不限于PD控制的方法，使控制***实时通过调节两侧推进器的电压来调整无人水面艇航向和航速使其驶向水面无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)，当无人艇的偏差距离D小于设定阈值γ时，无人艇已经处于动力定位的期望位置即停止动力供给；同时控制器继续实时监测无人艇的偏差距离D，当由于风浪流的影响使得无人艇的偏差距离D不小于设定阈值γ时，控制***继续实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向无人艇动力定位的期望位置(Xend,Yend)，从而再次进行无人艇的动力定位。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，所述方法包括：
根据远程控制端的指令，获取无人艇动力定位的期望位置、设定的动力定位半径、实际设定的动力定位半径，其中，实际设定的动力定位半径小于设定的动力定位半径；
根据无人艇上搭载的卫星和惯性导航***，获取无人艇当前所在的实际位置和实际航向；
根据无人艇动力定位的期望位置和无人艇当前所在的实际位置，计算无人艇的期望航向、航向偏差角、偏差距离；
当所述偏差距离不小于实际设定的动力定位半径时，设定角度阈值，其中，角度阈值的值为0°至90°范围内的任意值；
根据所述航向偏差角所在的范围和预先设置的调整策略，进行航向偏差角调整，获取调整后的航向偏差角，以使调整后的航向偏差角达到设定条件；
选取航向偏差角和偏差距离作为控制变量，采用PD控制但不限于PD控制的方法，使控制***实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向水面无人艇动力定位的期望位置。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，所述根据所述航向偏差角所在的范围和预先设置的调整策略，进行航向偏差角调整，获取调整后的航向偏差角，以使调整后的航向偏差角达到设定条件的步骤，包括：
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于角度阈值小于90°时,控制无人艇原地转弯至航向偏差角的绝对值小于角度阈值；
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于90°小于第一数值时，控制无人艇原地转弯至航向偏差角的绝对值大于第一数值小于180°，其中,所述第一数值为180°与角度阈值的差值；
当无人艇的航向偏差角的绝对值小于角度阈值时，控制无人艇前进；
当无人艇的航向偏差角的绝对值大于第一数值小于180°时，控制无人艇后退。
3.根据权利要求1所述的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，还包括：
当所述偏差距离小于实际设定的动力定位半径时，停止向无人艇左右两侧的推进器输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，所述无人艇的期望航向
Figure FDA0002381612660000024
的计算公式为：
Figure FDA0002381612660000021
其中，(Xend,Yend)为无人艇动力定位的期望位置，(x(t),y(t))为无人艇当前所在的实际位置。
5.根据权利要求1或2所述的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，所述航向偏差角θ的计算公式为：
Figure FDA0002381612660000022
其中，
Figure FDA0002381612660000025
为无人艇的期望航向，ψ为无人艇的实际航向。
6.根据权利要求1所述的一种欠驱动无人水面艇动力定位方法，其特征在于，所述偏差距离D的计算公式为：
Figure FDA0002381612660000023
其中，(Xend,Yend)为无人艇动力定位的期望位置，(x(t),y(t))为无人艇当前所在的实际位置。
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