一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于船舶自主運動控制技術領域，具體地指一種基于模糊自適應算法的無 人艇航向航速協同控制方法。
【背景技術】
[0002] 自主運動控制是無人艇（UnmannedSurfaceVehicle，簡稱USV)區別于有人操縱 船舶的核心技術之一。在自主運動控制問題中，實用有效的航向航速控制算法是USV平臺 在各種不確定水面環境中完成復雜航行任務的關鍵。
[0003]目前的USV航向航速控制方法主要包括：（1)將航向保持作為自動控制目標，使 船舶能夠自動跟隨給定的航向，但是航向給定不在自主控制的范圍內。相應的控制算法主 要包括：基于精確運動模型的PID控制、Lyapunov控制、Backstepping控制等常規控制算 法，基于在線辨識模型參數的變結構控制等自適應控制算法，基于模糊規則的模糊控制算 法等。（2)在航向保持的基礎上，將航向給定納入自主控制的范圍，由艇載計算機通過控制 算法自主得出航向給定值，進行閉環控制，但航速給定不包括在自主控制的范圍內。
[0004] 以上控制方法存在以下問題：（1)控制算法方面，基于精確數學模型的常規控制 算法中，船體運動模型較難精確確定，而且在不確定和強非線性的水面環境中，線性時不變 的運動模型參數難以實時和準確的描述船體運動狀態的變化；在自適應控制算法中，自適 應函數和精確干擾模型較難確定；在模糊控制算法中，算法結構，輸入輸出變量的模糊域， 模糊規則的確定需要豐富的工程實踐經驗。（2)控制策略方面，航向航速的協同控制程度較 弱，主要考慮航向對運動控制結果的貢獻，僅將航向納入自主控制算法的范圍，而較少考慮 航速對運動控制快速性，魯棒性和自主性的影響。
【發明內容】
[0005] 本發明的主要目的是針對現有技術的不足，提供一種基于模糊自適應算法的無人 艇航向航速協同控制算法，避免了常規方法中的船體運動建模問題，改進了模糊控制策略 和算法，融入了自適應因素，提高了控制方法在不確定水面環境中的適應性和魯棒性。
[0006] 為實現上述目的，本發明所設計的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協 同控制方法，包括如下步驟：
[0007] 包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :獲取并設定無人艇自主航行目標點經煒度坐標；
[0009] 步驟2 :采集無人艇的經煒度、航向角：
[0010] 步驟3 :比對所述采集的經煒度與所述無人艇自主航行目標點經煒度是否相同， 相同則返回步驟1，不相同則繼續下一步驟；
[0011] 步驟4:根據所述采集的經煒度和航向角計算無人艇與目標點的航向角偏差量P 和直線距離偏差量D;
[0012] 步驟5 :對所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D進行模糊自適應控制算法的 解算，獲得所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D在模糊集合中的隸屬度函數；
[0013] 步驟6 :由所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D在模糊集合中的隸屬度函數 計算并輸出舵角偏轉控制量U和油門開度控制量V，所述舵角偏轉控制量U和油門開度控制 量V分別對應于對無人艇的航向和航速控制；
[0014] 步驟7 :按一定周期時間循環操作步驟2至6。
[0015] 優選地，所述步驟4的具體步驟包括：
[0016] 步驟4. 1 :根據所述采集的經煒度航向角得到經度方向上的距離偏差量X，以東為 正方向，煒度方向上的距離偏差量Y，以北為正方向，航向角0，以真北方向為參考；
[0017] 步驟4. 2 :由以下公式得到所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D:
【主權項】
1. 一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟1 :獲取并設定無人艇自主航行目標點經煒度坐標； 步驟2 :采集無人艇的經煒度、航向角： 步驟3 :比對所述采集的經煒度與所述無人艇自主航行目標點經煒度是否相同，相同 則返回步驟1，不相同則繼續下一步驟； 步驟4 :根據所述采集的經煒度和航向角計算無人艇與目標點的航向角偏差量P和直 線距尚偏差量D ; 步驟5 :對所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D進行模糊自適應控制算法的解算， 獲得所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D在模糊集合中的隸屬度函數； 步驟6 :由所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D在模糊集合中的隸屬度函數計算 并輸出舵角偏轉控制量U和油門開度控制量V，舵角偏轉控制量U和油門開度控制量V分別 對應于對無人艇的航向和航速控制； 步驟7 :按一定周期時間循環操作步驟2至6。
2. 根據權利要求1所述的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法， 其特征在于：所述步驟4的具體步驟包括： 步驟4. 1 :根據所述采集的經煒度和航向角得到經度方向上的距離偏差量X，以東為正 方向，煒度方向上的距離偏差量Y，以北為正方向，航向角Θ，以真北方向為參考； 步驟4. 2 :由以下公式得到所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D :
3. 根據權利要求1所述的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法， 其特征在于：所述步驟5的具體步驟包括： 步驟5. 1 :對所述航向角偏差量P引入航向角偏差量隸屬度函數Pj: Pj =Jjc,/./., (a-) I .ve [0,360]) 式中所述航向角偏差量隸屬度函數&是一個標識號為j的模糊集合，j e整數，(λ·) 為偏差量屬于各個模糊集合的隸屬度函數； 步驟5. 2 :對所述直線距離偏差量D引入直線距離偏差量隸屬度函數Dj: A Wlxe [〇，°°),丨 式中所述直線距離偏差量隸屬度函數Dj是一個標識號為j的模糊集合，j e整數， 為偏差量屬于各個模糊集合的隸屬度函數。
4. 根據權利要求3所述的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法， 其特征在于：所述步驟5. 1的航向角偏差量隸屬度函數I中，令j = -2, _1，0,1，2分別代 表負向大NB，負向小NS，零偏差ZE，正向小PS，正向大PB，Pj的隸屬度函數簇抖(Λ-)為：
所述步驟5. 2的直線距離偏差量隸屬度函數Dj中，令j = 0，1，2分別代表零偏差Z，小 偏差S，大偏差B，1_的隸屬度函數簇/M 為：
5.根據權利要求1所述的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法， 其特征在于：所述步驟6的具體步驟包括： 步驟6. 1 :對所述舵角偏轉控制量U引入舵角偏轉控制量隸屬度函數 U- , Uj = [v,//,- (x) I X e [-25,25]} 式中舵角偏轉控制量隸屬度函數％是一個標識號為j的模糊集合，je整數，a W為 偏差量屬于各個模糊集合的隸屬度函數，令j =-2, _1，0，1，2分別代表了負向大NB，負向 小NS，零偏差ZE，正向小PS，正向大PB，Uj的隸屬度函數簇//,. (X)為：
步驟6. 2 :對所述油門開度控制量V引入油門開度控制量隸屬度函數Vj, Fj = (.v)j.ve[0,60]} 式中所述油門開度控制量隸屬度函數'是一個標識號為j的模糊集合，j e自整數， A W為偏差量屬于各個模糊集合的隸屬度函數，令j = 0,1，2分別代表零油門Z ()，小油 門S，大油門B，Vj的隸屬度函數簇A (.vj為：
步驟6. 3 :引入中間變量％、ω,，i e整數，k e整數，計算公式為：
其中符號"Λ"指取小，即取交集； 步驟6. 4:根據所述中間變量《i、COk計算舵角偏轉控制量U，計算公式為：
步驟6. 5:根據所述中間變量ωρ ω,計算油門開度控制量V，計算公式為：
6.根據權利要求5所述的一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法， 其特征在于：所述步驟6. 5之后還包括： 步驟6. 6 :計算單位時間航向角偏差率Pt= P/t，單位取角度/秒； 步驟6. 7 :當所述航向角偏差率Pt> 30角度/秒時，控制間隔為1秒；當30角度/秒 >所述航向角偏差率Pt> 5角度/秒時，控制間隔為2秒；當所述航向角偏差率P t〈5角度 /秒時，控制間隔為5秒。
【專利摘要】本發明公開了一種基于模糊自適應算法的無人艇航向航速協同控制方法，針對常規控制方法中運動模型較難精確確定，動態響應不理想、抗干擾能力較弱等問題，采用模糊控制算法改善了USV控制方法在不確定水面條件下的適應度，避免了常規方法中的船體運動建模問題；提出了改進的兩輸入兩輸出USV模糊控制算法，增加了距離模糊域函數作為算法輸入，并將航向和航速都納入自主控制范圍，進行協同控制，提高了USV運動控制的收斂速度，增強了控制的魯棒性；采用航向角偏差率作為運行環境不確定性和運行狀態偏差程度的度量，自動調節控制間隔參數，使控制算法能夠根據控制環境的變化，自適應的調整控制參數，進一步增強了自主控制系統的智能性。
【IPC分類】G05B13-04, G05D1-02
【公開號】CN104765368
【申請號】CN201510169286
【發明人】陳于濤, 曹詩杰, 陳林根, 曾凡明, 劉永葆
【申請人】中國人民解放軍海軍工程大學
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月10日