欠驱动无人艇路径跟踪控制算法

DOI ：10.7495／j .

issn.1009-3486.2018.03.021欠驱动无人艇路径跟踪控制算法

收稿日期：2017-03-16；修回日期：2017-05-17。

作者简介：陈　霄（1990－），男，博士生，主要研究方向为无人艇智能航行控制技术及其作战应用。通信作者：刘　忠（1963－），男，教授，博士生导师，liuzh531＠https://www.360docs.net/doc/c314751512.html, 。

陈　霄，刘　忠，董　蛟，张建强

（海军工程大学兵器工程学院，武汉430033）

摘　要：针对欠驱动无人艇水平面内的路径跟踪问题，首先建立了无人艇的运动学和动力学模型；然后，基于视线导引策略和输出反馈控制思想设计了路径跟踪控制算法；最后，通过对无人艇位置误差镇定、航向角和纵向速度的跟踪控制，实现了三自由度欠驱动无人艇直线和曲线路径跟踪。理论分析和仿真实验证明：所提出的路径跟踪控制算法具有较小的稳态误差和良好的动态性能。关键词：欠驱动控制；无人艇；视线导引；输出反馈控制；路径跟踪

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1009－3486（2018）03－0107－06

Path followin g al g orithm of underactuated USV

CHEN Xiao ，LIU Zhon g ，DONG Jiao ，ZHANG Jian -q ian g

（Colle g e of Wea p onr y En g ineerin g ，Naval Univ.of En g ineerin g ，Wuhan 430033，China ）Abstract ：In view of the horizontal p ath followin g of the underactuated USV ，the kinematic and d y -namic models of the USV are established at first ，and then the p ath followin g control al g orithm is de -si g ned based on the line of si g ht g uidance strate gy and out p ut feedback control.Trackin g control of the p osition error stabilization ，lon g itudinal velocit y and course an g le are im p lemented to realize the strai g ht and curve line p ath followin g of the underactuated USV in 3de g ree -of -freedom （3-DOF ）.Fi -nall y ，the theoretical anal y sis and simulation ex p eriment p rove that the p ath followin g control al g o -rithm p ro p osed has smaller stead y -state error and g ood d y namic p erformance.

Ke y words ：underactuated control ；unmanned surface vehicle （USV ）；line -of -si g ht （LOS ）

；out p ut feedback control ；p ath followin g 无人水面艇（

unmanned surface vehicle ，USV ）

作为一种小型水面智能任务平台，具有体积小、成本低、高速智能、雷达反射面积小、无人员

伤亡等优势［1］

。它通过搭载不同的任务模块可完成情报收集、

监视侦察、目标打击等多种任务［2］

，在军用领域实现了机动部署、灵活作战。在民用领域，可用于水文地理勘测、搜寻救助、中继通信等，并且USV 是整合低空无人机和水下机器人

跨网络的关键节点，具有广泛的应用前景［3］

。

欠驱动无人艇的路径跟踪是指仅在前进推力和转艏力矩的驱动下，不考虑时间约束，USV 从

任意初始位置出发，

驶入预先设定的期望航线，并沿此航线最终到达指定位置。欠驱动USV 的路

径跟踪控制分为两种：分离控制和综合控制。分离控制是指通过控制航向使USV 能够向着消除

航迹偏差的方向运动，

从而间接实现路径跟踪控制，工程上易于实现，但精度略低［4－6］

。综合控制

是指同时考虑USV 的位置和航向偏差，通过控

制系统直接给出舵角指令，实现位置和航向偏差的同时减小，从而完成路径跟踪控制，精度较高，

但算法灵活性不足，调试难度大［7－8］。本文结合

两类算法的优缺点，利用视线导引策略和输出反

　第30卷　第3期

　2018年6月 海军工程大学学报　JOURNAL OF NAVAL UNIVERSITY OF ENGINEERING

Vol.30　No.3　Jun.2018