无人艇

欠驱动水面无人艇的航迹跟踪控制研究 - 豆丁网
基于自抗扰控制的水面无人艇路径跟踪控制器 王常顺

1 坐标表示

• NED（North-East-Down）坐标系 以地球表面上的一点作为原点，坐标系的Ⅹ 轴指向北向，Y 轴指向东向，并且Ⅹ轴和 Y 轴构成的平面与地球表面相切，Z 轴指向地心，它是地理参考坐标系的一种。对于无人艇而言，可以认为该坐标系是一个惯性坐标系。
• 艇体固定坐标系 以艇体上的重心为原点，x 轴的正向表示船艏 (shou), y 轴的正向表示船的右舷，oz 轴正向指向地心.

无人艇在地球固定 NED 坐标系中的水平面运动示意图如上，几个需要注意的地方:

1. (x,y)为无人艇在 NED 坐标系中的位置. 注意这里 XY 坐标轴位置和平时的不太一样
2. \(\Psi\) 为无人艇的艏摇角（船舶相对于地理北方的航向角，以正北为零度，顺时针取）。艏摇角速度 \(r=\dot{\Psi}\).
3. 前进速度 u, 横漂速度 v
4. 该平面运动模型中无人艇的运动控制来自于左右两个推力\(F_p,F_S\)
   1. 前进方向螺旋桨推力 \(\tau_u=F_p+F_s\)
   2. 转向控制力矩 \((F_p-F_s) d_y\).
      \(d_y\) 是图中螺旋桨推力作用点到质心轴线(转轴)的垂直距离.
      注意这里\(F_p\cdot d_y\) 的方向是顺着 \(\Psi\) 增加的角度的.
5. 垂荡（heave）、横荡（sway）、纵荡（surge）、纵摇（pitch）、横摇（roll）、艏摇（yaw）--- 航行的船舶可产生的 6 个自由度的运动分量.

2 运动学方程

\(\psi\) 的单位是 \(rad/s\),