一种无人艇路径跟踪控制方法与流程

本发明涉及路径跟踪控制，具体为一种无人艇路径跟踪控制方法。

背景技术：

1、路径跟踪控制技术是一种在多个领域广泛应用的技术，其核心目的是使被控对象能够准确地跟踪并稳定在预定的参考路径上。这种技术在自动驾驶汽车、船舶、无人机等领域尤为重要。路径跟踪控制技术是指通过运动规划输出和实时反馈的被控对象行驶状态，来计算并控制被控对象的期望输入，使其能够沿着期望的路径稳定行驶。其基本原理是通过控制置、速度、加速度等等被控对象的运动参数来减少被控对象与参考轨迹之间的空间和时间误差。

2、水面无人艇具有体积小、机动性强和成本低等优点，目前被广泛用于环境监测、搜索救援、水文调查等民用领域以及运动目标识别和跟踪等危险系数较高的军事任务中。

3、然而，现有的路径跟踪控制技术在多个方面展现出显著的不足与限制。首先，无人艇在运动过程中存在信号传输和处理的时延，这可能导致控制指令的滞后，影响路径跟踪的实时性和准确性。其次，为了实现高精度的路径跟踪控制，需要进行大量的计算，例如通过卷积神经网络的建立和训练实现对多参数的响应分析，这需要调用大量的算力。然而，无人艇的控制系统通常受到计算资源的限制，难以满足所有实时性要求。

4、因此，有必要提出一种无人艇路径跟踪控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术中存在的问题，而提出一种无人艇路径跟踪控制方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种无人艇路径跟踪控制方法，包括以下步骤：

3、步骤一、跟踪路径识别；

4、定义空间坐标系，包括空间坐标系原点o（0,0,0）以及三个互相垂直的空间坐标轴x轴、y轴和z轴。

5、作为本发明的一种优选方式，获取无人艇的巡逻目标路径线的总长度s并进行离散化，以n等分的方式进行插值，产生n+1个离散的路径点。获取各个路径点在空间坐标系中的坐标pi（xi，yi，zi）=p1（x1，y1，z1），p2（x2，y2，z2），……，pn（xn+1，yn+1，zn+1）。其中n+1为预设的离散控制精度参数，即离散化后得到的路径点总数，xi、yi和zi分别为各个路径点pi在x轴、y轴和z轴上的坐标分量。

6、步骤二、运动数据捕捉；

7、每隔预设的时间间隔t获取无人艇的运动数据，包括当前位置坐标、速度、加速度和转向角度，具体为：

8、无人艇的当前位置坐标（x，y，z）、无人艇在空间坐标系中x，y，z三个方向上的速度分量（vx，vy，vz）和无人艇在空间坐标系中x，y，z三个方向上的偏转角度（θx，θy，θz）。

9、步骤三、运动参数分析；

10、每隔预设的时间间隔t，结合各个路径点在空间坐标系中的坐标与无人艇的运动数据进行运动分析，从位置，速度方向和偏转角度三个方面进行运动数据误差提取，具体为：

11、位置数据误差提取：每隔预设时间通过公式计算无人艇的当前位置坐标与各个路径点坐标之间的距离d，并提取其中的最小值mind，记为位置偏差参数e1。其中i=1,2,3，...，n。将与无人艇的当前位置坐标产生距离最小值mind的路径点记为目标路径点p＇（x＇，y＇，z＇）。

12、作为本发明的一种优选方式，每隔预设时间间隔记录当前时间t和当前时间运算产生的位置偏差参数e1，生成位置偏差参数点（t，e1）。

13、速度方向数据误差提取：每隔预设的时间间隔t通过公式计算速度方向与无人艇当前位置到目标路径点方向的夹角cosα，记为方向偏差参数e2。

14、作为本发明的一种优选方式，每隔预设时间间隔记录当前时间t和当前时间运算产生的方向偏差参数e2，生成方向偏差参数点（t，e2）。

15、偏转角度数据误差提取：每隔预设的时间间隔t提取目标路径点p＇（x＇，y＇，z＇）的编号i，获取编号为i-1的路径点坐标，记为点p＇＇（x＇＇，y＇＇，z＇＇），通过公式

16、计算无人艇在xoy面内的偏转角与巡逻目标路径线的夹角μ，记为转角偏差参数e3。

17、作为本发明的一种优选方式，每隔预设时间间隔记录当前时间t和当前时间运算产生的转角偏差参数e3，生成转角偏差参数点（t，e3）。

18、步骤四、控制参数生成：

19、结合各个路径点在空间坐标系中的坐标与无人艇的运动数据进行误差控制，具体为：

20、作为本发明的一种优选方式，建立pid控制器，具体包括：数据图像生成单元，图像特征提取单元，数据融合单元和控制参数生成单元。

21、数据图像生成单元记录所有输入pid控制器的输入数据点（t，r），随后以时间为横轴，以r为纵轴生成数据图像，即r-t图像，所述的r为输入数据点中的参数，即位置偏差参数e1、方向偏差参数e2或转角偏差参数e3。

22、图像特征提取单元提取参数r对应的预设阈值rmax，在所述的r-t图像中通过公式计算参数r的偏差比例r1、偏差积分r2与偏差微分r3。

23、数据融合单元通过公式δr=k1×r1+k2×r2+k3×r3计算得到执行参数δ，其中k1、k2和k3是预设的权重因子。

24、分别将位置偏差参数数据点（t，e1）、方向偏差参数点（t，e2）和转角偏差参数点（t，e3）输入pid控制器，得到对应的执行参数δe1、δe2和δe3。

25、步骤五、运动参数执行与路径优化；

26、根据步骤四得到的执行参数执行位置偏差控制转向角度偏差控制，具体为：

27、若执行参数δe1的值大于预设阈值δe1max，则判定产生了航向偏差，并生成调速指令。进一步判定δe3的值，若δe3的值大于0则判定航向左偏，并产生转向指令一；若否则产生转向指令二。

28、所述的调速指令具体为：获取无人艇左右螺旋桨的最大调节转速nmax和最小调节转速nmin，设置转速基数，其中c1和c2是预设超限倍数。

29、所述的转向指令一为：令左螺旋桨的转速为n0+nmin；右螺旋桨的转速为n0-nmin；

30、所述的转向指令二为令左螺旋桨的转速为n0-nmin；右螺旋桨的转速为n0+nmin。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、（1）本发明构建了一个基于pid控制策略的反馈机制，该机制在设计上深度融合了当前偏差的即时感知、偏差值变化趋势的精准预测以及对历史偏差数据的智能学习与分析，从而实现了对无人艇航行过程中航迹偏差的全方位、多维度管理；通过高精度传感器实时捕捉无人艇当前位置与预定航迹之间的偏差，利用pid控制器的比例项迅速调整控制信号，以最直接的方式减小当前偏差，确保无人艇能够迅速回归至预定航线上，增强了系统的即时响应能力。pid控制中引入积分项和微分项的协同作用，不仅考虑当前偏差的累积效应进行长期校正，还通过预测模型对未来偏差值的变化趋势进行预判；这种前瞻性的偏差值预测能力，使得系统能够提前采取措施，有效避免偏差的进一步扩大；利用历史偏差数据进行统计分析，预测未来可能出现的偏差模式，对控制参数进行动态调整和优化；本发明实现了对复杂航行环境下航迹偏差的有效管理和补偿，为无人艇的自主导航和安全航行提供了强有力的技术支撑；

33、（2）本发明提供了一种快速响应的无人艇路径跟踪控制方案，通过运动数据采集和实时分析实现航向控制，通过精简算法逻辑，优化数据处理流程，本发明成功减少了需要调整的参数数量，从而减轻了计算负担，提高了数据响应速度；这一改进使得无人艇能够更加迅速地根据当前航行状态和环境变化做出调整，提升了路径跟踪控制的实时性。

34、（3）本发明综合考虑各个执行参数，对左右螺旋桨的转速进行动态调节，保证了在偏差距离较大时，无人艇获得足够的修正动力，并根据无人艇的转角偏差和速度方向偏差分配左右螺旋桨的具体转速，保证了无人艇在转角偏差较大时获得足够的旋转距；从速度、航向和转向角度对无人艇路径进行修正，保证了无人艇在预设路径上持续进行航向修正。