小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法

1.本发明属于水域环境保护技术领域，具体涉及小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法。

背景技术：

2.目前，水上垃圾不能自然稀释降解，只能以拦截打捞的方式清理。而利用无人艇清理水上垃圾比人工打捞更高效便捷，有助于解放劳动力。目前各公司生产了多款专用的水上清污无人船，不过这些无人船多用于大型的湖泊，很少考虑中小型水池的清理。此外，这些无人船多具有收集垃圾，清理水草等功能但很少考虑到水中浮游生物(如藻类)的清理。
3.因此，设计一种能够适用于中小型水池，并且能高效地清理水上浮游生物的小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法，就显得十分必要。
4.例如，申请号为cn202010247698.2的中国专利文献描述的一种水域清污装置、系统及方法，包括岸基监测系统、多艘无人艇和打捞网，岸基监测系统用于接收无人艇传输的图像信息和位置信息，通过图像融合技术和目标识别技术辨识出无人艇前方水面的污染区域信息，并控制无人艇对污染区域进行清污；无人艇包括船体以及设置在船体上的控制模块、通信模块、动力模块、定位模块和监测模块。虽然通过多艘无人艇协同清污，能够提高清污效率；通过打捞网的特殊结构设计，能够实现水面垃圾的全方位清理，避免造成垃圾的遗漏；过岸基监测系统根据无人艇发送的图像信息发出航向指令，提高了清污系统的自动化程度，无需人为操作，节约了人力物力，但是其缺点在于，需要多艘无人艇实现水面垃圾的全方位清理，成本过高，且整体系统并不适用于中小型水池。

技术实现要素：

5.本发明是为了克服现有技术中，现有水上清污无人船不适用于中小型水池，且无法高效地清理水上浮游生物的问题，提供了一种能够适用于中小型水池，并且能高效地清理水上浮游生物的小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
7.小型水面清污无人艇，包括：
8.用于垃圾收集的垃圾收集舱；所述垃圾收集舱位于船体中心；所述垃圾收集舱包括固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱；
9.用于感知自身位置的感知装置；所述感知装置位于船头上层；所述感知装置包括深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签；
10.用于控制船体运动的控制装置；所述控制装置位于船头下层；所述控制装置包括运动控制器和主控制器；所述运动控制器用于检测航线、航速、船身倾角，并驱动电机；所述主控制器用于连接深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签，并用于处理信息和传输信息；
11.用于提供动力的推进装置；所述推进装置包括位于船尾的若干个水下推进器，用于负责船体前进转向的动力。
12.作为优选，小型水面清污无人艇还包括uwb定位系统；所述uwb定位系统包括微控制模块和上位机定位模块；所述微控制模块包括至少四个；每个的位置固定，且每个之间的距离不超过200米；所述上位机定位模块用于设置巡航轨迹。
13.作为优选，所述和uwb定位标签均包括天线、与天线电连接的电路板、设于电路板上的微控制器、uwb定位模块和时钟模块。
14.作为优选，还包括活动式舱门；所述活动式舱门位于垃圾收集舱前侧。
15.作为优选，所述固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱之间设有隔网；所述藻类垃圾处理舱的出水处设有微滤膜。
16.本发明还提供了小型水面清污无人艇的控制方法，所述运动控制器采用lqr控制器；还包括如下步骤：
17.全驱动控制：
18.s1，当无人艇航行于限制水域中，lqr控制器产生一个稳定的舵角来抵消岸吸力与岸吸力矩；
19.s2，设定系统状态方程为
20.其中，x为系统的状态向量；u为控制向量；d为系统的干扰矩阵；a为由系统运动方程推导而得的控制对象矩阵；b为控制矩阵；
21.设定代价函数
22.其中，x为系统的状态向量，u为控制向量，q为状态权重矩阵，r为控制权重矩阵；
23.将u＝-kx代入代价函数，得到
24.设定存在常量矩阵p使得
25.为使j最小，由最小值原理得到最优控制为：k＝r-1bt
p；
26.在系统状态方程中加入一个状态变量y，使y等于瞬时航向偏移角，用于消除稳态横向漂移误差；
27.s3，根据岸吸力的公式，查阅公式中参数的数据库，得到岸吸力的大小；所述岸吸力的公式为：
[0028][0029][0030]
其中，l为船的长度，b为船的宽度,t为吃水量，ρ为流体密度，v为航速,f为船体受到的水动力，m为船体受到的水动力矩，cf为横向力，cm为首摇力矩；
[0031]
s4，根据岸吸力大小估计状态变量y(t)，再根据imu传感器感知船体航向并反馈调整状态变量的数值，使状态变量对时间的积分为漂移误差，
[0032]
误差t0为开始时间，t1为当前时间；
[0033]
s5，无人艇通过状态变量不断调整航向，使无人艇回到既定航线；
[0034]
欠驱动控制：
[0035]
s6，按照全驱动控制中所述的状态变量定义渐近稳定的平面s，并定义形式上的控制律u；
[0036]
s7，所有起始于平面s的系统轨线都持续保持在平面s上，而且在平面s上滑动，直到所有系统轨线在平面s上汇于一点；若有未在平面s上起始的系统轨线，则对控制律u进行修改，直到所有系统轨线在有限时间里，在平面s上汇于一点。
[0037]
本发明还提供了小型水面清污无人艇的定位方法，包括如下步骤：
[0038]
s101，uwb定位标签在测距前，先与各个进行一次通信，预先告知将在t0时刻发出测距脉冲信号；
[0039]
s102，通信接收到时间信息，开始等待，并在t0时刻准备接收测距脉冲信号的时间序列，并通过计算估计测距脉冲信号的采样时延；
[0040]
s103，在捕获到测距脉冲信号后，在粗估计无人艇位置的基础上，以采样点时间为间隔进行多次计算，得到采样点时间偏移量，最后再根据采样时延估计计算测距脉冲信号最先到达时刻的t1；
[0041]
s104，根据t1-t0得出测距脉冲信号的传输时间，将得到的传输时间乘以电磁波传播速度得出和uwb定位标签之间的距离。
[0042]
作为优选，所述uwb定位标签为3个；3个uwb定位标签分别放置在无人艇的船头、左后方和右后方；还包括如下步骤：
[0043]
s105，根据3个uwb定位标签的相对位置以及运动控制器内置的imu传感器，得出无人艇的航向；
[0044]
s106，当根据uwb定位标签相对位置得出的航向与imu传感器测得的航向不符时，通过imu传感器测得的航向，利用极大似然估计反推3个uwb定位标签位置的概率密度，得出各个uwb定位标签的最大概率位置，并进行uwb定位标签位置的矫正；
[0045]
s107，通过3个uwb定位标签确定无人艇所在的具体范围，将信息传输给主控制器和上位机定位模块。
[0046]
本发明与现有技术相比，有益效果是：(1)本发明适用于中小型水池，能够增加清理水面微小浮游生物(如藻类)的功能；(2)本发明带有高精度uwb定位系统，能为控制器提供无人艇厘米级的精确位置，并通过上位机软件模块设置无人艇的巡航轨迹；(3)本发明中的轨迹跟踪采用全驱动加欠驱动的方法，无人艇利用带积分反馈的线性二次型最优控制算法完成全驱动控制，通过滑膜控制实现欠驱动控制，且无人艇在航行时，可以用污染物清理装置收集沿途的污染物。
附图说明
[0047]
图1为本发明中小型水面清污无人艇的一种主视图；
[0048]
图2为本发明中小型水面清污无人艇的一种左视图；
[0049]
图3为本发明中小型水面清污无人艇的一种俯视图；
[0050]
图4为本发明中以及uwb定位标签的一种结构示意图；
[0051]
图5为本发明中小型水面清污无人艇的定位方法的一种定位示意图。
[0052]
图中：固体垃圾收集舱1、藻类垃圾处理舱2、感知装置3、控制装置4、推进器5、水泵
6、天线7、电路板8、微控制器9、uwb定位模块10、时钟模块11、活动式舱门12。
具体实施方式
[0053]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
[0054]
实施例1：
[0055]
如图1至图3所示的小型水面清污无人艇，包括：
[0056]
用于垃圾收集的垃圾收集舱；所述垃圾收集舱位于船体中心；所述垃圾收集舱包括固体垃圾收集舱1和藻类垃圾处理舱2；
[0057]
用于感知自身位置的感知装置3；所述感知装置位于船头上层；所述感知装置包括深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签；
[0058]
用于控制船体运动的控制装置4；所述控制装置位于船头下层；所述控制装置包括运动控制器和主控制器；所述运动控制器用于检测航线、航速、船身倾角，并驱动电机；所述主控制器用于连接深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签，并用于处理信息和传输信息；
[0059]
用于提供动力的推进装置；所述推进装置包括位于船尾的若干个水下推进器5，用于负责船体前进转向的动力。
[0060]
小型水面清污无人艇内还设有用于抽水的水泵6，无人艇的供电部分采用6s锂电池，能同时提供水泵、推进装置和控制装置所需的电力。
[0061]
进一步的，小型水面清污无人艇还包括uwb定位系统；所述uwb定位系统包括微控制模块和上位机定位模块；所述微控制模块包括四个；每个的位置固定，且每个之间的距离不超过200米；所述上位机定位模块用于设置巡航轨迹。
[0062]
上位机定位模块实现的主要功能有：
[0063]
1.与uwb定位标签通过蓝牙连接；
[0064]
2.读取来自uwb定位标签的测距结果；
[0065]
3.在平面图内设置各个的实际摆放位置；
[0066]
4.显示uwb定位标签距离的距离，并计算uwb定位标签的位置(xyz坐标)，在地图上实时显示；
[0067]
5.地图显示，可以导入一张png格式的地图，能设置像素值与实际距离的比值以及坐标位置；
[0068]
6.在地图上设置无人艇巡航轨迹。
[0069]
进一步的，如图4所示，所述和uwb定位标签均包括天线7、与天线电连接的电路板8、设于电路板上的微控制器9、uwb定位模块10和时钟模块11。uwb定位标签由定位目标(无人艇)携带，与距离不超过两百米，通过与各个测距实现定位，每次测距结果汇总到主机站上再通过蓝牙模块传输给pc电脑。
[0070]
进一步的，小型水面清污无人艇还包括活动式舱门12；所述活动式舱门位于垃圾收集舱前侧。
[0071]
进一步的，所述固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱之间设有隔网；所述藻类垃圾
处理舱的出水处设有微滤膜。
[0072]
基于实施例1，本发明还提供了小型水面清污无人艇的控制方法，所述运动控制器采用lqr控制器；还包括如下步骤：
[0073]
全驱动控制：
[0074]
s1，当无人艇航行于限制水域中，lqr控制器产生一个稳定的舵角来抵消岸吸力与岸吸力矩；
[0075]
s2，设定系统状态方程为
[0076]
其中，x为系统的状态向量；u为控制向量；d为系统的干扰矩阵；a为由系统运动方程推导而得的控制对象矩阵；b为控制矩阵；
[0077]
设定代价函数
[0078]
其中，x为系统的状态向量，u为控制向量，q为状态权重矩阵，r为控制权重矩阵；
[0079]
将u＝-kx代入代价函数，得到
[0080]
设定存在常量矩阵p使得
[0081]
为使j最小，由最小值原理得到最优控制为：k＝r-1bt
p；
[0082]
在系统状态方程中加入一个状态变量y，使y等于瞬时航向偏移角，用于消除稳态横向漂移误差；
[0083]
s3，根据岸吸力的公式，查阅公式中参数的数据库，得到岸吸力的大小；所述岸吸力的公式为：
[0084][0085][0086]
其中，l为船的长度，b为船的宽度,t为吃水量，ρ为流体密度，v为航速,f为船体受到的水动力，m为船体受到的水动力矩，cf为横向力，cm为首摇力矩；
[0087]
s4，根据岸吸力大小估计状态变量y(t)，再根据imu传感器感知船体航向并反馈调整状态变量的数值，使状态变量对时间的积分为漂移误差，
[0088]
误差t0为开始时间，t1为当前时间；
[0089]
s5，无人艇通过状态变量不断调整航向，使无人艇回到既定航线；
[0090]
本发明的全驱动控制方法选用带积分反馈的线性二次型最优控制lqr方法。
[0091]
lqr控制器通过摆舵与降速可以有效地矫正与控制船舶的运动轨迹，保持了船舶航线稳定性，并为降低船舶相互碰撞的风险提供了良好的控制策略。
[0092]
lqr控制器控制对象是状态空间形式线性系统，而目标函数为对象状态和控制输入的二次型函数，通过计算出使目标函数值最小的增益矩阵，从而得到满足最优控制规律的时域舵角变化，实现对船舶运动的最优控制。当船舶偏至水道一侧接近岸壁航行时，船体将受到吸向近岸一侧的横向力，称为岸吸力的作用，出现船体被吸向岸壁的岸吸现象。与此
同时，船体受到岸推力矩的作用，使船首转向航道中央的现象，即岸推现象。当船舶航行于限制水域中，lqr控制器将产生一个稳定的舵角来抵消岸吸力与岸吸力矩。当无人艇达到稳定状态时，船体产生一定的横移量，再保持原定航向继续航行，但偏离了原来既定航迹上，保证了航向稳定，但没能保证航迹的稳定。为了消除这一稳态横向漂移误差，将在状态空间方程中加入一个状态变量。根据岸吸力的公式，查阅相关参数的数据库，得到岸吸力的大小。根据岸吸力大小设置状态变量，再根据控制器内置imu传感器感知船体航向反馈调整状态标量数值。无人艇通过状态变量不断调整航向使无人艇回到既定航线。
[0093]
此外，将imu传感器感知的姿态和航速通过积分运算，算出航迹偏离既定航线的数值，判定无人艇是否回到既定航线以及反馈偏离既定航线的位置。
[0094]
欠驱动控制：
[0095]
s6，按照全驱动控制中所述的状态变量定义渐近稳定的平面s，并定义形式上的控制律u；
[0096]
s7，所有起始于平面s的系统轨线都持续保持在平面s上，而且在平面s上滑动，直到所有系统轨线在平面s上汇于一点；若有未在平面s上起始的系统轨线，则对控制律u进行修改，直到所有系统轨线在有限时间里，在平面s上汇于一点。
[0097]
为使无人艇的运动与时间序列有关，欠驱动控制方法选用滑模控制。
[0098]
在滑模控制方法中，按照系统的状态变量定义渐近稳定的平面s，并定义形式上的控制律u。所有起始于这个平面的系统轨线都继续保持在这个平面上，而且在这个平面上滑动，直到它们滑动至交叉处的期望的目的地。若有未在这个平面起始的系统轨线，控制律就需要进行修改，使轨线就在有限时间里在这个平面上汇于一点。滑模控制律的设计可以被分为两个部分：设计一个合适的滑动面，使系统的动态局限于滑动流形，产生所期望的行为；设计连续的控制律，其迫使系统轨迹到滑动面，并保持在其上。
[0099]
本发明针对水面无人艇系统设计了轨迹跟踪滑模控制律，用两个滑动的平面来计算两个推进器的推力。
[0100]
第一个滑动平面是按照纵向运动的跟踪误差所定义的一个一阶平面。
[0101]
第二个滑动平面是按照横侧向运动的跟踪误差所定义的一个二阶平面。
[0102]
在系统中，只有船舶的绝对位置和航向角是可以测得并进行反馈的。因此船舶的绝对速度只能用数学的方法进行估计，通过惯性参考系和随船坐标系之间的运动学关系计算出纵荡和横荡速度。
[0103]
考虑幂定律形式的阻抗力模型，设计滑模控制用来跟踪一个连续可微的目标轨迹。这个轨迹使用一组两个常微分方程，按照在两个平面的全球定位变量x和y来定义。
[0104]
第一个滑动平面是一个按照船舶纵向运动跟踪误差所定义的指数式稳定的一阶平面；
[0105]
第二个滑动面是一个二阶的指数式稳定的平面，按照船舶的横侧向运动跟踪误差进行定义。
[0106]
如图5所示，本发明还提供了小型水面清污无人艇的定位方法，定位系统由四个与无人艇所带标签组成。各个与标签兼起发送和接收信号的作用，通讯的范围在200米内。一号作为主，可通过蓝牙与上位机通讯。标签可分布在定位区域内的任意位置。
[0107]
定位系统前期准备如下：
[0108]
1.首先，绘制无人艇工作场景地图，根据地图大小选择数量(图5中为4个)，并选择放置位置。确保工作场景内的任意位置都被所有的覆盖，覆盖的越多定位的精度越高。
[0109]
2.将绘制好的地图上传到上位机软件模块中，设置好地图实际尺寸与像素值的比值，并根据具体位置和南北朝向标记各的坐标值。
[0110]
3.在工作区域内将按照地图设置摆放，并在定位范围内放置无人艇。
[0111]
定位方案流程如下：
[0112]
和标签通过脉冲无线电实现uwb通讯，利用单脉冲信号组成的时域脉冲序列发射信号。为提高信号的传输能力和分辨能力，通过多模谐振滤波器实现信号的宽阻带。
[0113]
定位方法采用toa方法，具体包括如下步骤：
[0114]
s101，uwb定位标签在测距前，先与各个进行一次通信，预先告知将在t0时刻发出测距脉冲信号；
[0115]
s102，通信接收到时间信息，开始等待，并在t0时刻准备接收测距脉冲信号的时间序列，并通过计算估计测距脉冲信号的采样时延；
[0116]
s103，在捕获到测距脉冲信号后，在粗估计无人艇位置的基础上，以采样点时间为间隔进行多次计算，得到采样点时间偏移量，最后再根据采样时延估计计算测距脉冲信号最先到达时刻的t1；
[0117]
s104，根据t1-t0得出测距脉冲信号的传输时间，将得到的传输时间乘以电磁波传播速度得出和uwb定位标签之间的距离。
[0118]
测得距离后，采用极大似然估计法计算标签位置。通常标签坐标为以各坐标为圆心，以到标签的距离为半径的各个圆的交点处。而在实际测量中，由于距离的测量误差，标签位置可能并不在以各位置为圆心的圆的交点上。因此用极大似然估计法，通过对测距结构误差余量做统计拟合得出其近似正态分布，再由极大似然估计原理得出标签的位置。得出估计结果，经过卡尔曼滤波器后将信息传输到无人艇控制器和上位机。
[0119]
进一步的，所述uwb定位标签为3个；3个uwb定位标签分别放置在无人艇的船头、左后方和右后方；还包括如下步骤：
[0120]
s105，根据3个uwb定位标签的相对位置以及运动控制器内置的imu传感器，得出无人艇的航向；
[0121]
s106，当根据uwb定位标签相对位置得出的航向与imu传感器测得的航向不符时，通过imu传感器测得的航向，利用极大似然估计反推3个uwb定位标签位置的概率密度，得出各个uwb定位标签的最大概率位置，并进行uwb定位标签位置的矫正；
[0122]
s107，通过3个uwb定位标签确定无人艇所在的具体范围，将信息传输给主控制器和上位机定位模块。
[0123]
无人艇携带3个标签，用于避免测距误差影响定位精度。
[0124]
本发明的垃圾收集方法，具体如下：
[0125]
无人艇的前侧有活动式舱门，在工作时，两扇舱门打开呈135度角张开，将更多的垃圾导入垃圾收集舱内。无人艇前进时，路径上漂浮在水面的垃圾被收入船舱内。此外船尾的水泵抽水，抽入的水带动更多的垃圾进入船舱。
[0126]
船舱内的垃圾收集舱由隔网分成两部分，前端为固体垃圾收集处，后端为藻类污染物处理处。当水流带着漂浮的垃圾一同流入垃圾收集舱内后，由于隔网的阻拦，较大的固体垃圾会被阻挡在固体垃圾收集处，较小的垃圾如藻类通过隔网进入藻类污染物处理处。船尾出水处放有微滤膜，水流被水泵吸出舱外，而微小垃圾则通过膜滤法留在舱内。膜滤法以微小孔径级别的选择性透过膜为分离介质，以压力差和浓度差作为驱动，从而使水流中的物质选择性地透过膜，实现分离或提纯。除此之外，藻类垃圾清理处还放有活性炭、生物陶粒、生物催化剂ibc等能吸附和分解藻类的物质，减轻微滤网的压力避免大量微小垃圾集结而导致微滤网处被堵住。
[0127]
本发明适用于中小型水池，能够增加清理水面微小浮游生物(如藻类)的功能；本发明带有高精度uwb定位系统，能为控制器提供无人艇厘米级的精确位置，并通过上位机软件模块设置无人艇的巡航轨迹；本发明中的轨迹跟踪采用全驱动加欠驱动的方法，无人艇利用带积分反馈的线性二次型最优控制算法完成全驱动控制，通过滑膜控制实现欠驱动控制，且无人艇在航行时，可以用污染物清理装置收集沿途的污染物。
[0128]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.小型水面清污无人艇，其特征在于，包括：用于垃圾收集的垃圾收集舱；所述垃圾收集舱位于船体中心；所述垃圾收集舱包括固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱；用于感知自身位置的感知装置；所述感知装置位于船头上层；所述感知装置包括深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签；用于控制船体运动的控制装置；所述控制装置位于船头下层；所述控制装置包括运动控制器和主控制器；所述运动控制器用于检测航线、航速、船身倾角，并驱动电机；所述主控制器用于连接深度摄像头、激光雷达和uwb定位标签，并用于处理信息和传输信息；用于提供动力的推进装置；所述推进装置包括位于船尾的若干个水下推进器，用于负责船体前进转向的动力。2.根据权利要求1所述的小型水面清污无人艇，其特征在于，还包括uwb定位系统；所述uwb定位系统包括微控制模块和上位机定位模块；所述微控制模块包括至少四个；每个的位置固定，且每个之间的距离不超过200米；所述上位机定位模块用于设置巡航轨迹。3.根据权利要求2所述的小型水面清污无人艇，其特征在于，所述和uwb定位标签均包括天线、与天线电连接的电路板、设于电路板上的微控制器、uwb定位模块和时钟模块。4.根据权利要求1所述的小型水面清污无人艇，其特征在于，还包括活动式舱门；所述活动式舱门位于垃圾收集舱前侧。5.根据权利要求1-4任一项所述的小型水面清污无人艇，其特征在于，所述固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱之间设有隔网；所述藻类垃圾处理舱的出水处设有微滤膜。6.基于权利要求3所述的小型水面清污无人艇的控制方法，其特征在于，所述运动控制器采用lqr控制器；还包括如下步骤：全驱动控制：s1，当无人艇航行于限制水域中，lqr控制器产生一个稳定的舵角来抵消岸吸力与岸吸力矩；s2，设定系统状态方程为其中，x为系统的状态向量；u为控制向量；d为系统的干扰矩阵；a为由系统运动方程推导而得的控制对象矩阵；b为控制矩阵；设定代价函数其中，x为系统的状态向量，u为控制向量，q为状态权重矩阵，r为控制权重矩阵；将u＝-kx代入代价函数，得到设定存在常量矩阵p使得为使j最小，由最小值原理得到最优控制为：k＝r-1
b
t
p；在系统状态方程中加入一个状态变量y，使y等于瞬时航向偏移角，用于消除稳态横向漂移误差；s3，根据岸吸力的公式，查阅公式中参数的数据库，得到岸吸力的大小；所述岸吸力的
公式为：公式为：其中，l为船的长度，b为船的宽度,t为吃水量，ρ为流体密度，v为航速,f为船体受到的水动力，m为船体受到的水动力矩，c
f
为横向力，c
m
为首摇力矩；s4，根据岸吸力大小估计状态变量y(t)，再根据imu传感器感知船体航向并反馈调整状态变量的数值，使状态变量对时间的积分为漂移误差，误差t0为开始时间，t1为当前时间；s5，无人艇通过状态变量不断调整航向，使无人艇回到既定航线；欠驱动控制：s6，按照全驱动控制中所述的状态变量定义渐近稳定的平面s，并定义形式上的控制律u；s7，所有起始于平面s的系统轨线都持续保持在平面s上，而且在平面s上滑动，直到所有系统轨线在平面s上汇于一点；若有未在平面s上起始的系统轨线，则对控制律u进行修改，直到所有系统轨线在有限时间里，在平面s上汇于一点。7.基于权利要求3所述的小型水面清污无人艇的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：s101，uwb定位标签在测距前，先与各个进行一次通信，预先告知将在t0时刻发出测距脉冲信号；s102，通信接收到时间信息，开始等待，并在t0时刻准备接收测距脉冲信号的时间序列，并通过计算估计测距脉冲信号的采样时延；s103，在捕获到测距脉冲信号后，在粗估计无人艇位置的基础上，以采样点时间为间隔进行多次计算，得到采样点时间偏移量，最后再根据采样时延估计计算测距脉冲信号最先到达时刻的t1；s104，根据t1-t0得出测距脉冲信号的传输时间，将得到的传输时间乘以电磁波传播速度得出和uwb定位标签之间的距离。8.根据权利要求7所述的小型水面清污无人艇的定位方法，其特征在于，所述uwb定位标签为3个；3个uwb定位标签分别放置在无人艇的船头、左后方和右后方；还包括如下步骤：s105，根据3个uwb定位标签的相对位置以及运动控制器内置的imu传感器，得出无人艇的航向；s106，当根据uwb定位标签相对位置得出的航向与imu传感器测得的航向不符时，通过imu传感器测得的航向，利用极大似然估计反推3个uwb定位标签位置的概率密度，得出各个uwb定位标签的最大概率位置，并进行uwb定位标签位置的矫正；s107，通过3个uwb定位标签确定无人艇所在的具体范围，将信息传输给主控制器和上位机定位模块。

技术总结

本发明属于水域环境保护技术领域，具体涉及小型水面清污无人艇及其控制方法、定位方法。小型水面清污无人艇包括：用于垃圾收集的垃圾收集舱；所述垃圾收集舱包括固体垃圾收集舱和藻类垃圾处理舱；用于感知自身位置的感知装置；所述感知装置包括深度摄像头、激光雷达和UWB定位标签；用于控制船体运动的控制装置；所述控制装置包括运动控制器和主控制器；用于提供动力的推进装置；所述推进装置包括位于船尾的若干个水下推进器，用于负责船体前进转向的动力。本发明具有能够适用于中小型水池，并且能高效地清理水上浮游生物的特点。且能高效地清理水上浮游生物的特点。且能高效地清理水上浮游生物的特点。