CN111623781A - 用于波浪滑翔器的实时路径导航方法及*** - Google Patents
用于波浪滑翔器的实时路径导航方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于波浪滑翔器的实时路径导航方法及***，实时路径导航方法包括：步骤S1：在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息及目标航迹点的第二位置信息；步骤S2：根据第一位置信息及第二位置信息通过路径导航控制律获得由当前位置到目标航迹点的期望航向；步骤S3：根据波浪滑翔器在当前位置的航向及期望航向获得沿期望航向所需的舵角增量，根据舵角增量控制波浪滑翔器向目标航迹点行进。
Description
技术领域
本发明涉及实时路径导航领域，特别涉及一种用于波浪滑翔器的实时路径导航方法及***。
背景技术
在海气界面观测中，波浪能滑翔器是一款能够完全借助自然能源长周期运行的波浪驱动、太阳能供电海洋移动平台。波浪滑翔器是一种欠驱动非线性***，***控制输入量少于输出量，其控制运动具有耦合性，波浪滑翔器在海洋中受到时变的风浪流等环境干扰，其***具有时延性和滞后性，其水动力系数具有不确定性，波浪滑翔器在海面上一直处于运动状态，但难以在按照预期路径行进。因此，如何设计精确可靠的波浪滑翔器的实时路径导航方法及***，以满足在实际工程中对路径导航的应用是波浪能滑翔器控制领域发展的必由之路。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于波浪滑翔器的实时路径导航方法，其中，包括：
步骤S1：在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息及目标航迹点的第二位置信息；
步骤S2：根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过路径导航控制律获得由所述当前位置到所述目标航迹点的期望航向；
步骤S3：根据所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向及所述期望航向获得沿所述期望航向所需的舵角增量，根据所述舵角增量控制所述波浪滑翔器向所述目标航迹点行进。
上述的实时路径导航方法，其中，还包括：
步骤S4：根据所述第一位置信息及所述第二位置信息实时判断所述波浪滑翔器是否到达所述目标航迹点。
上述的实时路径导航方法，其中，所述步骤S1中，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。
上述的实时路径导航方法，其中，所述步骤S2中根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。
上述的实时路径导航方法，其中，所述步骤S3中包括：
步骤S31：获取所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向角；
步骤S32：根据所述当前位置的航向角、到所述目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的所述舵角增量；
步骤S33：根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作，从而向所述目标航迹点行进。
上述的实时路径导航方法，其中，所述步骤S33中还包括：根据舵角增量范围对所述舵角增量进行判断，当所述舵角增量超出所述舵角增量范围时，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
本发明还提供一种用于波浪滑翔器的实时路径导航***，其中，包括：
第一位置信息获得单元，在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息；
第二位置信息获得单元，获取所述波浪滑翔器的目标航迹点的第二位置信息；
期望航向获得单元，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过路径导航控制律获得由所述当前位置到所述目标航迹点的期望航向；
控制单元，根据所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向及所述期望航向获得沿所述期望航向所需的舵角增量，根据所述舵角增量控制所述波浪滑翔器向所述目标航迹点行进。
上述的实时路径导航***，其中，还包括：
判断单元，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息实时判断所述波浪滑翔器是否到达所述目标航迹点。
上述的实时路径导航***，其中，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。
上述的实时路径导航***，其中，所述期望航向获得单元根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。
上述的实时路径导航***，其中，所述控制单元包括：
航向角获得模块，获取所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向角；
计算模块，根据所述当前位置的航向角、到所述目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的所述舵角增量；
主控模块，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作，从而向所述目标航迹点行进。
上述的实时路径导航***，其中，所述主控模块根据舵角增量范围对所述舵角增量进行判断，当所述舵角增量超出所述舵角增量范围时，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
综上所述，本发明相对于现有技术其功效在于：提供一种用于波浪滑翔器的实时路径导航方法及***，以满足在实际工程中波浪滑翔对路径导航的应用，从而进一步提高波浪能滑翔器实时路径跟踪的的可靠性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实时路径导航方法的流程图；
图2为图1中步骤S3的流程图；
图3为本发明实时路径导航***的结构示意图。
其中，附图标记为；
第一位置信息获得单元：11；
第二位置信息获得单元：12；
期望航向获得单元：13；
控制单元：14；
航向角获得模块：141；
计算模块：142；
主控模块：143；
判断单元：15。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”。
请参照图1，图1为本发明实时路径导航方法的流程图。如图1所示，本发明实时路径导航方法包括：
步骤S1：在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息及目标航迹点的第二位置信息；
其中，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。在本实施例中，在波浪滑翔器的行进过程中通过北斗通信单元实时定位获取波浪滑翔器的经度及纬度，通过波浪滑翔器的航迹点数据库获取目标航迹点的经度及纬度，具体地说，北斗通信单元设置于波浪滑翔器的浮体船上，以每秒一次的频率实时定位获取波浪滑翔器的经度及纬度，以每小时6次的频率与岸基监控***通讯，岸基监控***可通过北斗通信单元远程更改波浪滑翔器的航迹点数据库。
步骤S2：根据第一位置信息及第二位置信息通过路径导航控制律获得由当前位置到目标航迹点的期望航向；
其中，所述步骤S2中根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。在本实施例中，高斯大地主题反解视向跟踪算法选择高斯平均引数法作为求解大地线距离与大地方位角的算法，其高斯平均引数法正解公式为：
其中，B1为波浪滑翔器的大地纬度，L1为波浪滑翔器的大地经度，B2为目标航迹点的大地纬度，L2为目标航迹点的大地经度，Bm＝(B1+B2)/2为平均纬度，A12,A21,Am＝(A12+A21±π)/2为相应点处的方位角，
tm＝tanBm,ηm＝e'cosBm、a、e、e'分别是地球椭球的长半轴长度、第一偏心率和第二偏心率,S为大地线长度，其中，v＝ScosAm，μ＝SsinAm，
步骤S3：根据波浪滑翔器在当前位置的航向及期望航向获得沿期望航向所需的舵角增量，根据舵角增量控制波浪滑翔器向目标航迹点行进。
请参照图2，图2为图1中步骤S3的流程图。如图2所示，步骤S3中包括：
步骤S31：获取波浪滑翔器在当前位置的航向角，其中，在本实施例中，通过罗盘采集获取波浪滑翔器的当前位置的航向角。
步骤S32：根据当前位置的航向角、到目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的舵角增量；
步骤S33：根据当前的舵角以及舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制波浪滑翔器执行打舵动作，从而向目标航迹点行进。
具体地说，GBPID算法具体是指采用一种优化神经网络权值的实数编码遗传算法，并应用于参数自学习的PID控制器，期望航向与当前航向会存在一定的航向差，首先根据当前位置的航向角以及期望航向角获得该航向差后，其次采用GBPID算法计算出恢复到期望航向所需的舵机转角的舵角增量，再根据当前舵角以及舵角增量计算出打舵角度,波浪滑翔器执行打舵动作，通过调节舵机转角使滑翔器逼近目标航迹点。
进一步地，步骤S33中还包括：根据舵角增量范围对舵角增量进行判断，当舵角增量超出舵角增量范围时，根据当前的舵角以及舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
具体地说，在本实施例中，以舵角增量范围为[-5°,5°]为较佳的实施方式，舵角增量在[-5°,5°]的范围内时，不对波浪滑翔器的舵机执行任何动作，当舵角增量大于5°或小于-5°时，根据当前的舵角以及舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
步骤S4：根据第一位置信息及第二位置信息实时判断波浪滑翔器是否到达目标航迹点。
具体地说，本发明还根据第一位置信息及第二位置信息实时判断滑翔器是否达到目标航迹点，当到达目标航迹点后，将自动切换到对下一个目标航迹点进行逼近，直到运行完成所有的航迹点。
请参照图3，图3为本发明实时路径导航***的结构示意图。如图3所示，本发明的实时路径导航***包括：
第一位置信息获得单元11，在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息，其中，在本实施例中，以第一位置信息获得单元11为北斗通信单元为较佳的实施方式。
第二位置信息获得单元12，获取所述波浪滑翔器的目标航迹点的第二位置信息，其中，在本实施例中，以第二位置信息获得单元12为波浪滑翔器的航迹点数据库为较佳的实施方式。
期望航向获得单元13，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过路径导航控制律获得由所述当前位置到所述目标航迹点的期望航向，其中，所述期望航向获得单元13根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。
控制单元14，根据所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向及所述期望航向获得沿所述期望航向所需的舵角增量，根据所述舵角增量控制所述波浪滑翔器向所述目标航迹点行进。
其中，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。
进一步地，所述的实时路径导航***还包括：
判断单元15，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息实时判断所述波浪滑翔器是否到达所述目标航迹点。
更进一步地，所述控制单元14包括：
航向角获得模块141，获取所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向角，其中，在本实施例中，以航向角获得模块141为罗盘为较佳的实施方式；
计算模块142，根据所述当前位置的航向角、到所述目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的所述舵角增量；
主控模块143，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作，从而向所述目标航迹点行进。
更进一步地，所述主控模块143根据舵角增量范围对所述舵角增量进行判断，当所述舵角增量超出所述舵角增量范围时，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
综上所述，本发明能够满足在实际工程中波浪滑翔器对路径导航的应用，提高波浪能滑翔器的可靠性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种用于波浪滑翔器的实时路径导航方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息及目标航迹点的第二位置信息；
步骤S2：根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过路径导航控制律获得由所述当前位置到所述目标航迹点的期望航向；
步骤S3：根据所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向及所述期望航向获得沿所述期望航向所需的舵角增量，根据所述舵角增量控制所述波浪滑翔器向所述目标航迹点行进。
2.如权利要求1所述的实时路径导航方法，其特征在于，还包括：
步骤S4：根据所述第一位置信息及所述第二位置信息实时判断所述波浪滑翔器是否到达所述目标航迹点。
3.如权利要求1或2所述的实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。
4.如权利要求3所述的实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S2中根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。
5.如权利要求4所述的实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S3中包括：
步骤S31：获取所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向角；
步骤S32：根据所述当前位置的航向角、到所述目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的所述舵角增量；
步骤S33：根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作，从而向所述目标航迹点行进。
6.如权利要求5所述的实时路径导航方法，其特征在于，所述步骤S33中还包括：根据舵角增量范围对所述舵角增量进行判断，当所述舵角增量超出所述舵角增量范围时，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
7.一种用于波浪滑翔器的实时路径导航***，其特征在于，包括：
第一位置信息获得单元，在行进过程中获取波浪滑翔器在当前位置的第一位置信息；
第二位置信息获得单元，获取所述波浪滑翔器的目标航迹点的第二位置信息；
期望航向获得单元，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过路径导航控制律获得由所述当前位置到所述目标航迹点的期望航向；
控制单元，根据所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向及所述期望航向获得沿所述期望航向所需的舵角增量，根据所述舵角增量控制所述波浪滑翔器向所述目标航迹点行进。
8.如权利要求7所述的实时路径导航***，其特征在于，还包括：
判断单元，根据所述第一位置信息及所述第二位置信息实时判断所述波浪滑翔器是否到达所述目标航迹点。
9.如权利要求7或8所述的实时路径导航***，其特征在于，所述第一位置信息包括所述波浪滑翔器的经度及纬度，所述第二位置信息包括所述目标航迹点的经度及纬度。
10.如权利要求9所述的实时路径导航***，其特征在于，所述期望航向获得单元根据所述第一位置信息及所述第二位置信息通过高斯大地主题反解视向跟踪算法获得由所述当前位置到所述目标航迹点的距离及期望航向角。
11.如权利要求10所述的实时路径导航***，其特征在于，所述控制单元包括：
航向角获得模块，获取所述波浪滑翔器在所述当前位置的航向角；
计算模块，根据所述当前位置的航向角、到所述目标航迹点的距离以及期望航向角通过GBPID算法获得恢复到期望航向所需的舵机转角的所述舵角增量；
主控模块，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作，从而向所述目标航迹点行进。
12.如权利要求11所述的实时路径导航***，其特征在于，所述主控模块根据舵角增量范围对所述舵角增量进行判断，当所述舵角增量超出所述舵角增量范围时，根据当前的舵角以及所述舵角增量获得打舵角度，通过调节打舵角度控制所述波浪滑翔器执行打舵动作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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