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结合ILOS及IPID-GWO的无人水翼航行器路径跟踪优化

毕成 段富海

毕成, 段富海. 结合ILOS及IPID-GWO的无人水翼航行器路径跟踪优化[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 648-656 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177
引用本文: 毕成, 段富海. 结合ILOS及IPID-GWO的无人水翼航行器路径跟踪优化[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 648-656 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177
BI Cheng, DUAN Fuhai. Path Tracking Optimization for Unmanned Hydrofoil Vehicle Based on ILOS and IPID-GWO[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 648-656. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177
Citation: BI Cheng, DUAN Fuhai. Path Tracking Optimization for Unmanned Hydrofoil Vehicle Based on ILOS and IPID-GWO[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 648-656. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177

结合ILOS及IPID-GWO的无人水翼航行器路径跟踪优化

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177
详细信息
    作者简介:

    毕成:毕 成(1999-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为无人水翼航行器路径跟踪控制

  • 中图分类号: TJ630; U674.941

Path Tracking Optimization for Unmanned Hydrofoil Vehicle Based on ILOS and IPID-GWO

  • 摘要: 为解决新型无人水翼航行器的路径跟踪问题, 提出了一种基于视线制导法(LOS)并结合增量式比例-积分-微分控制器(IPID)的跟踪策略。首先, 建立了航行器的3自由度运动学和动力学模型, 并通过控制策略实现控制输入解耦; 结合可变前视距离与积分项改进了LOS制导法, 得到ILOS算法; IPID控制器使用ILOS算法得到的期望航向角进行跟踪过程的动态控制, 同时在算法中增加跟踪点切换时的补偿输入, 避免了因剧烈变化导致的系统失控; 分别使用灰狼优化算法(GWO)与遗传算法(GA)对IPID控制器的权重系数进行优化和对比。在Matlab中使用ILOS及IPID控制器对给定的直线-曲线混合路径在无干扰与有干扰时进行路径跟踪仿真, 通过分析跟踪效果和横向误差, 验证了ILOS和IPID-GWO算法结合的可行性和先进性。

     

  • 图  1  无人水翼航行器三维模型

    Figure  1.  Three dimensional model of an unmanned hydrofoil vehicle

    图  2  传统LOS制导算法

    Figure  2.  Traditional LOS guidance algorithm

    图  3  ILOS+IPID-GWO路径跟踪控制结构

    Figure  3.  Path tracking control structure of ILOS guidance combined with IPID-GWO

    图  4  无干扰时路径跟踪效果对比图

    Figure  4.  Comparison of path tracking effects when there is no interference

    图  5  有干扰时路径跟踪效果对比图

    Figure  5.  Comparison of path tracking effect when there is interference

    表  1  无人水翼航行器建模参数及公式

    Table  1.   Modeling parameters and formulas of unmanned hydrofoil vehicles

    参数 取值/公式 参数 取值/公式
    $ m $ 53.89 $ {x_g} $ 0
    $ {X_{\dot u}} $ −2.29 $ {Y_{\dot v}} $ −13.71
    $ {Y_{\dot r}} $ 2.23 $ {N_{\dot v}} $ 2.23
    $ {I_{\textit{z}}} $ 8.71 $ {N_{\dot r}} $ 3.19
    $ b $ 0.48 $ L $ 0.8
    $ {d_{11}} $ $ 2.29 + 1.33\left| u \right| $ $ {d_{22}} $ $ 13.71 + 36.47\left| v \right| + 0.81\left| r \right| $
    $ {d_{23}} $ $ - 2.23 + 0.85\left| v \right| - 0.13\left| r \right| $ $ {d_{32}} $ $ - 2.23 + 0.85\left| v \right| - 0.13\left| r \right| $
    $ {d_{33}} $ $ - 3.19 - 0.08\left| v \right| + 0.75\left| r \right| $
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    表  2  仿真结果数据

    Table  2.   Simulation result data

    跟踪时间/s$ {y_e} $绝对值和$ u $方差
    无干扰有干扰无干扰有干扰部分直线-无干扰部分直线-有干扰部分直线-无干扰部分直线-有干扰
    LOS+IPID400.5407.92 746.47 583.110.914 4563.794 70.002 0580.034 333
    ILOS+IPID404.2415.02 694.05 903.030.240 5397.614 70.012 2110.092 868
    ILOS+IPID-GA403.8410.22 685.44 826.330.520 6308.041 40.008 9720.044 648
    ILOS+IPID-GWO406.3408.62 536.53 760.925.458 2197.470 70.003 1990.018 585
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-23
  • 修回日期:  2025-01-19
  • 录用日期:  2025-02-08
  • 网络出版日期:  2025-07-18

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