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申请/专利权人：北京航空航天大学合肥创新研究院(北京航空航天大学合肥研究生院)

摘要：本发明是一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法及存储介质，包括建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与实际航向角作差，得到目标航向角，再通过控制器得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进。本发明根据船舶实际位置与路径目标点的距离确定起始航点，方便船舶试验；针对无人船无法正常切换航段的情况，调节算法的视线半径以及切换条件，减小跟踪误差，使得航迹控制更加精确。

主权项：1.一种基于变参数视线法的无人船航迹控制方法，其特征在于，包括以下步骤，首先建立有限时间内的船舶数学模型，通过回转试验求取模型参数，将系统改造成最佳二阶系统来设计航向控制器；基于视线法实现船舶轨迹跟踪控制，根据当前坐标与目标航线的位置关系计算出船舶沿轨迹航行的视线角，将其与船舶航向角作差，得到目标航向角，进而得到目标舵角，并向下层发送命令，控制船舶运动，消除航迹误差，使得船舶向着期望轨迹方向驶进；具体包括以下步骤：S1、建立有限时间内船舶模型；S2、设计航向控制器；S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内；S4、变参数视线法实现无人船航迹跟踪控制；所述S1、建立有限时间内船舶模型具体包括：在有限时间内，将船舶当作一阶惯性模型，传递函数为其中K为增益系数，T为时间常数；上述模型的阶跃响应输出峰值为A，输入的阶跃响应系数为K1，系统输出则系统的放大系数K＝AK1；对一阶系统的阶跃响应进行拉普拉斯反变换得到时域信号ct＝1-e-tT；船舶以设定速度直线航行达到稳定后，将舵转到设定舵角并保持不变，此时船舶进入回转状态，实时采集输出角速度与输入舵角数据，并分别绘制它们与试验时间的关系曲线，由于角速度与舵角之间满足此种关系即可计算出船舶在转弯时的模型参数K、T；所述S2、设计航向控制器具体包括，标准二阶系统的开环传递函数为：ξ为阻尼比，ωn为自然频率，第一步建立的船舶模型为再通过一个积分环节得到航向角与输入舵角之间的关系设计的控制器为Wcs，由于控制器如此构成一个闭环，输入为期望的航向角，输出为传感器测量的实际航向角；所述S3、将不连续的节点映射到控制算法区间内具体包括，将不在控制范围的角度映射到这个区间里，具体映射方法参照即 由DGPS获取船的经纬度，实时转换为XY平面坐标，并绘制在地图中；利用串口读取DGPS信息，按照读取协议进行解析，获取经度、纬度、东向速度、北向速度以及航向角信息，用于航路规划、定位当前船舶位置、计算目标航向角，DGPS检测到的航向角的范围在实际控制中需要将其映射到视线法的控制区间上，检测角与控制角坐标的转换如下： 所述S4、变参数视线法实现无人船航迹跟踪控制具体包括：航段识别通过航点号进行区分，通过目标航点[xdk,ydk]和当前航点x,y确定当前目标航段，起始航点为1号点，后续航点号依次加一；设切换半径为R0，转换条件如下： 当发现无人船进入到了以目标航点[xdk,ydk]为圆心，R0为半径的圆时，判定为抵达目标航点；或者已经经过此航段已进入下一航段，但是未判别到进入上述圆中；目标航点切换为下一航点[xdk+1,ydk+1]，目标航点号加一，此时目标航段变成[xdk,ydk]→[xdk+1,ydk+1]，期望的航向角变成直到最后一个目标点；当无人船航行的期望轨迹设计为曲线，此时将曲线按照切线进行分割，分成不同长度的线段，由此可对曲线进行跟踪；取曲线上一点作外切线，将一条曲线分成了n段直线段，此时根据船舶当前位置与期望航段的距离，以及航段的长度来调节视线半径R与切换半径R0；设船舶当前位置与期望航段的垂直距离为d，当目标航线未出现在无人船视线半径圆内，将此时的视线半径增大，令R'＝d，控制船舶向目标航线靠近，直到目标航线进入到视线圆内，此时视线半径等于初始设定值；当航段短于切换半径R0时，将调节航段切换的条件，由于船舶惯性大的特点，切换半径最小值应不小于一个船长L，因此令R0＝L。

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