基于IDLOS的水面无人艇路径跟踪控制技术研究
发布时间：2022-01-22 20:27
操纵性约束和外界干扰导致水面无人艇难以精确、稳定跟踪期望轨迹。论文通过改进视线法得到带积分和微分项的制导律的控制器,同时加入预转向控制、速度优化控制,与视线制导相比显得更加合理。针对河海大学自主研制的DW-uBoat水面无人艇,设计了轨迹跟踪控制器并进行仿真试验。试验结果表明,基于改进视线法的控制器和PID的轨迹跟踪控制器与视线法相比,在控制误差、稳定性和抗干扰性等方面性能均有提升,能快速收敛到目标轨迹。
【文章来源】：中国造船. 2020,61(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
改进视线法
精确的数学模型，只要按照经验调整3个参数，即可到达较好的效果。除经典的PID之外的算法都属于智能控制，有些也在无人船上应用，但是还存在一些问题。因此一些学者把各种控制器与PID结合，形成模糊PID控制、PID滑模变结构控制等。PID控制器属于线性控制器，只需要输入偏差信号et便可得到输出：21pidd()()()()ddttetutKetKettKt（2）式中，pK为偏差的比例系数，iK为偏差的积分系数，dK为偏差的微分系数。控制器的输入输出过程如图2所示。图2控制器输入输出框架图图3所示的是本文研究采用的一艘双桨结构的多功能无人船DW-uBoat，双桨布置在船体后部对称轴的两侧，螺旋桨用伺服电机控制，数字伺服电机转速能接受指令控制。图3无人船DW-uBoat无人船运动可分解为前后向和转向运动。因此分别设计前进和转向控制器，然后整合到电机输出中。无人船的前进控制称为速度控制，速度控制PID的计算式如下：vpvpvdvv0()()()(()(1))tjPtKetKetKetet（3）式中，ve(t)为实际速度与目标速度的差值，ve(t1)为上一次计算时刻的差值，vP(t)为转速控制的输出值。F1FrMMdFd×控制对象数据采集系统数据采集期望值r(t)反馈e(t)×u(t)KpKi/sKds
140中国造船学术论文跟踪过程中出现一些问题，效果不如上述两种方法。视线法只有P项作用，导致其跟踪轨迹不断在路径周围左右震荡，无法稳定，在路径转向时还存在延迟而导致转向滞后，连带产生后续的震荡。积分项作用主要消除静差和给系统一定的缓冲，导致抗干扰的视线法（ILOS）在无洋流的路径上使用效果欠佳，积分项消除了部分震荡，使得路径跟踪相比于视线法（LOS）略好。图11无洋流下路径跟踪图12转角处路径跟踪细节图13路径跟踪偏差在有洋流的状况下进行仿真，先假设洋流力和方向不随时间变化。设定制导律中的前视距离l0.6m，目标线段切换半径R3m，设置速度控制器PID参数设置为（12,1.2,4）、航向控制器PID参数设置为（6,0,8）。无人船初始坐标(x,y)(0,0)，初始方向角为0°，预设航速v1m/s。无人船对路径线段P：（(-1,2)，(20,20)，(20,40)，(0,40)）进行跟踪，使用4种制导律跟踪的效果如图14~图16所示。LOSDLOSILOSIDLOS051015202530354045时间/s3210-1-2-3偏差/m0510152025东向距离/m45403530北向距离/m目标路径LOSDLOSILOSIDLOS-50510152025东向距离/m454035302520151050北向距离/m目标路径LOSDLOSILOSIDLOS
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人水面艇自适应路径跟踪算法[J]. 朱骋,庄佳园,张磊,许建辉,苏玉民. 导航与控制. 2019(01)
[2]基于改进积分视线导引策略的欠驱动无人水面艇路径跟踪[J]. 陈霄,刘忠,张建强,董蛟,周德超. 北京航空航天大学学报. 2018(03)
[3]基于ILOS的欠驱船舶循迹控制[J]. 瞿洋,徐海祥,余文曌,闻青. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(05)
[4]基于非对称模型的欠驱动USV路径跟踪控制[J]. 董早鹏,万磊,廖煜雷,李岳明,庄佳园. 中国造船. 2016(01)
本文编号：3602848
【文章来源】：中国造船. 2020,61(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
改进视线法
精确的数学模型，只要按照经验调整3个参数，即可到达较好的效果。除经典的PID之外的算法都属于智能控制，有些也在无人船上应用，但是还存在一些问题。因此一些学者把各种控制器与PID结合，形成模糊PID控制、PID滑模变结构控制等。PID控制器属于线性控制器，只需要输入偏差信号et便可得到输出：21pidd()()()()ddttetutKetKettKt（2）式中，pK为偏差的比例系数，iK为偏差的积分系数，dK为偏差的微分系数。控制器的输入输出过程如图2所示。图2控制器输入输出框架图图3所示的是本文研究采用的一艘双桨结构的多功能无人船DW-uBoat，双桨布置在船体后部对称轴的两侧，螺旋桨用伺服电机控制，数字伺服电机转速能接受指令控制。图3无人船DW-uBoat无人船运动可分解为前后向和转向运动。因此分别设计前进和转向控制器，然后整合到电机输出中。无人船的前进控制称为速度控制，速度控制PID的计算式如下：vpvpvdvv0()()()(()(1))tjPtKetKetKetet（3）式中，ve(t)为实际速度与目标速度的差值，ve(t1)为上一次计算时刻的差值，vP(t)为转速控制的输出值。F1FrMMdFd×控制对象数据采集系统数据采集期望值r(t)反馈e(t)×u(t)KpKi/sKds
140中国造船学术论文跟踪过程中出现一些问题，效果不如上述两种方法。视线法只有P项作用，导致其跟踪轨迹不断在路径周围左右震荡，无法稳定，在路径转向时还存在延迟而导致转向滞后，连带产生后续的震荡。积分项作用主要消除静差和给系统一定的缓冲，导致抗干扰的视线法（ILOS）在无洋流的路径上使用效果欠佳，积分项消除了部分震荡，使得路径跟踪相比于视线法（LOS）略好。图11无洋流下路径跟踪图12转角处路径跟踪细节图13路径跟踪偏差在有洋流的状况下进行仿真，先假设洋流力和方向不随时间变化。设定制导律中的前视距离l0.6m，目标线段切换半径R3m，设置速度控制器PID参数设置为（12,1.2,4）、航向控制器PID参数设置为（6,0,8）。无人船初始坐标(x,y)(0,0)，初始方向角为0°，预设航速v1m/s。无人船对路径线段P：（(-1,2)，(20,20)，(20,40)，(0,40)）进行跟踪，使用4种制导律跟踪的效果如图14~图16所示。LOSDLOSILOSIDLOS051015202530354045时间/s3210-1-2-3偏差/m0510152025东向距离/m45403530北向距离/m目标路径LOSDLOSILOSIDLOS-50510152025东向距离/m454035302520151050北向距离/m目标路径LOSDLOSILOSIDLOS
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人水面艇自适应路径跟踪算法[J]. 朱骋,庄佳园,张磊,许建辉,苏玉民. 导航与控制. 2019(01)
[2]基于改进积分视线导引策略的欠驱动无人水面艇路径跟踪[J]. 陈霄,刘忠,张建强,董蛟,周德超. 北京航空航天大学学报. 2018(03)
[3]基于ILOS的欠驱船舶循迹控制[J]. 瞿洋,徐海祥,余文曌,闻青. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(05)
[4]基于非对称模型的欠驱动USV路径跟踪控制[J]. 董早鹏,万磊,廖煜雷,李岳明,庄佳园. 中国造船. 2016(01)
本文编号：3602848
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