申请/专利权人：燕山大学

申请日：2022-01-11

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN114527744B

主分类号：G05D1/43

分类号：G05D1/43;G05D1/622

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2022.06.10#实质审查的生效;2022.05.24#公开

摘要：本发明涉及一种基于天牛须搜索优化的无人帆船路径跟踪制导方法，其包括以下步骤：步骤一：采集帆船航行过程中的数据参数；步骤二：构建关于障碍物避碰、路径跟踪、速度和航程损失的帆船路径跟踪制导代价函数；步骤三：基于天牛须搜索优化求解帆船路径跟踪制导的代价函数。本发明通过天牛须搜索方法与约束优化相结合，将制导问题转化为天牛须优化问题，对天牛须搜索算法进行改进来提高算法的性能，保证实际航向角对参考航向角的收敛，提出了一种完全表达式化描述且易于编程实现的无人帆船制导方法。本发明适用于无人驾驶帆船的路径跟踪与避碰混合制导，能够应对更复杂的海洋环境，大幅提高无人帆船航行的安全性。

主权项：1.一种基于天牛须搜索优化的无人帆船路径跟踪制导方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1：采集帆船航行数据参数；通过声呐、雷达和传感器采集帆船航行过程中的航行数据；步骤2：构建无人帆船路径跟踪制导的代价函数；经过对无人帆船路径跟踪制导的研究确定动静障碍物、速度和航程对帆船的航行状态产生影响；无人帆船路径跟踪制导的代价函数包括避碰代价函数、路径跟踪代价函数、速度损失代价函数和航程损失代价函数；步骤21：构建避碰代价函数；避碰代价函数的计算表达式如下式所示： 式中：i表示障碍物编号；n表示障碍物总个数；ψd表示帆船航行时的参考航向角；f1ψd表示避碰代价函数；表示随速度变化的危险度函数；表示第i个障碍物的速度；表示第i个障碍物的最小会遇距离；步骤22：构建路径跟踪代价函数；路径跟踪代价函数需要分情况确定，当帆船位于参考路径右侧时，构造代价函数如下式所示： 式中：f2ψd表示路径跟踪代价函数；k2表示一个正的常数；ψpf表示路径跟踪的参考航向角；β表示帆船到参考路径的垂线距离与帆船和目标点间距离的夹角；g2表示横向误差影响函数；ye表示横向误差；当帆船位于参考路径左侧时，构造代价函数如下式所示： 步骤23：构建速度损失代价函数；构造速度损失的代价函数如下式所示： 式中：u1表示帆船速度；表示帆船速度u1的最大值；k3表示调优参数；f3ψd表示速度损失代价函数；步骤24：构建航程损失代价函数；如果当前计算的时间为t，上一时刻为t-1，则构造的航程损失代价函数为：f4ψd＝k4|ψdt-ψt-1|式中：k4为一个正的调优参数；f4ψd表示航程损失代价函数；ψdt表示时间t时刻的帆船航行时的参考航向角；ψt-1表示时间t-1时刻的帆船航行时的航向角；步骤25：构建无人帆船路径跟踪制导的代价函数；获取步骤21、步骤22、步骤23和步骤24的结果，获得无人帆船路径跟踪制导的代价函数的具体形式由下式所示；Fψd＝f1ψd+f2ψd+f3ψd+f4ψd式中：Fψd表示无人帆船路径跟踪制导的代价函数；步骤3：求解无人帆船路径跟踪制导的代价函数；获取步骤2得到的帆船路径跟踪制导的代价函数，通过改进的天牛须搜索算法实现优化，为提高天牛须搜索性能建立如下搜索状态的迭代表达式： 式中：xt+1表示t+1时刻搜索状态；xt表示t时刻搜索状态；δt表示搜索状态参数；sign表示符号函数；Fxl表示左须对应的帆船路径跟踪制导的代价函数；Fxr表示右须对应的帆船路径跟踪制导的代价函数；通过上述迭代表达式，使无人帆船路径跟踪制导的代价函数Fψd达到最小值，进而确定最优的参考航向角ψd，通过参考航向角控制帆船的航行姿态，实现帆船路径跟踪制导。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 燕山大学 基于天牛须搜索优化的无人帆船路径跟踪制导方法

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