一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于船舶自主運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú) 人艇航向航速協(xié)同控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自主運(yùn)動(dòng)控制是無(wú)人艇（UnmannedSurfaceVehicle，簡(jiǎn)稱USV)區(qū)別于有人操縱 船舶的核心技術(shù)之一。在自主運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題中，實(shí)用有效的航向航速控制算法是USV平臺(tái) 在各種不確定水面環(huán)境中完成復(fù)雜航行任務(wù)的關(guān)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(dòng)控制目標(biāo)，使 船舶能夠自動(dòng)跟隨給定的航向，但是航向給定不在自主控制的范圍內(nèi)。相應(yīng)的控制算法主 要包括：基于精確運(yùn)動(dòng)模型的PID控制、Lyapunov控制、Backstepping控制等常規(guī)控制算 法，基于在線辨識(shí)模型參數(shù)的變結(jié)構(gòu)控制等自適應(yīng)控制算法，基于模糊規(guī)則的模糊控制算 法等。（2)在航向保持的基礎(chǔ)上，將航向給定納入自主控制的范圍，由艇載計(jì)算機(jī)通過(guò)控制 算法自主得出航向給定值，進(jìn)行閉環(huán)控制，但航速給定不包括在自主控制的范圍內(nèi)。
[0004] 以上控制方法存在以下問(wèn)題：（1)控制算法方面，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制 算法中，船體運(yùn)動(dòng)模型較難精確確定，而且在不確定和強(qiáng)非線性的水面環(huán)境中，線性時(shí)不變 的運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)難以實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的描述船體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化；在自適應(yīng)控制算法中，自適 應(yīng)函數(shù)和精確干擾模型較難確定；在模糊控制算法中，算法結(jié)構(gòu)，輸入輸出變量的模糊域， 模糊規(guī)則的確定需要豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。（2)控制策略方面，航向航速的協(xié)同控制程度較 弱，主要考慮航向?qū)\(yùn)動(dòng)控制結(jié)果的貢獻(xiàn)，僅將航向納入自主控制算法的范圍，而較少考慮 航速對(duì)運(yùn)動(dòng)控制快速性，魯棒性和自主性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的主要目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人 艇航向航速協(xié)同控制算法，避免了常規(guī)方法中的船體運(yùn)動(dòng)建模問(wèn)題，改進(jìn)了模糊控制策略 和算法，融入了自適應(yīng)因素，提高了控制方法在不確定水面環(huán)境中的適應(yīng)性和魯棒性。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié) 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(shè)定無(wú)人艇自主航行目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)煒度坐標(biāo)；
[0009] 步驟2 :采集無(wú)人艇的經(jīng)煒度、航向角：
[0010] 步驟3 :比對(duì)所述采集的經(jīng)煒度與所述無(wú)人艇自主航行目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)煒度是否相同， 相同則返回步驟1，不相同則繼續(xù)下一步驟；
[0011] 步驟4:根據(jù)所述采集的經(jīng)煒度和航向角計(jì)算無(wú)人艇與目標(biāo)點(diǎn)的航向角偏差量P 和直線距離偏差量D;
[0012] 步驟5 :對(duì)所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D進(jìn)行模糊自適應(yīng)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(shù)；
[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(shù) 計(jì)算并輸出舵角偏轉(zhuǎn)控制量U和油門(mén)開(kāi)度控制量V，所述舵角偏轉(zhuǎn)控制量U和油門(mén)開(kāi)度控制 量V分別對(duì)應(yīng)于對(duì)無(wú)人艇的航向和航速控制；
[0014] 步驟7 :按一定周期時(shí)間循環(huán)操作步驟2至6。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟4的具體步驟包括：
[0016] 步驟4. 1 :根據(jù)所述采集的經(jīng)煒度航向角得到經(jīng)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?yàn)閰⒖迹?br>[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(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)同控制方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟1 :獲取并設(shè)定無(wú)人艇自主航行目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)煒度坐標(biāo)； 步驟2 :采集無(wú)人艇的經(jīng)煒度、航向角： 步驟3 :比對(duì)所述采集的經(jīng)煒度與所述無(wú)人艇自主航行目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)煒度是否相同，相同 則返回步驟1，不相同則繼續(xù)下一步驟； 步驟4 :根據(jù)所述采集的經(jīng)煒度和航向角計(jì)算無(wú)人艇與目標(biāo)點(diǎn)的航向角偏差量P和直 線距尚偏差量D ; 步驟5 :對(duì)所述航向角偏差量P和直線距離偏差量D進(jìn)行模糊自適應(yīng)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(shù)； 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(shù)計(jì)算 并輸出舵角偏轉(zhuǎn)控制量U和油門(mén)開(kāi)度控制量V，舵角偏轉(zhuǎn)控制量U和油門(mén)開(kāi)度控制量V分別 對(duì)應(yīng)于對(duì)無(wú)人艇的航向和航速控制； 步驟7 :按一定周期時(shí)間循環(huán)操作步驟2至6。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)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(jù)所述采集的經(jīng)煒度和航向角得到經(jīng)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?yàn)閰⒖迹? 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(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)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(duì)所述航向角偏差量P引入航向角偏差量隸屬度函數(shù)Pj: Pj =Jjc,/./., (a-) I .ve [0,360]) 式中所述航向角偏差量隸屬度函數(shù)&是一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)為j的模糊集合，j e整數(shù)，(λ·) 為偏差量屬于各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)； 步驟5. 2 :對(duì)所述直線距離偏差量D引入直線距離偏差量隸屬度函數(shù)Dj: A Wlxe [〇，°°),丨 式中所述直線距離偏差量隸屬度函數(shù)Dj是一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)為j的模糊集合，j e整數(shù)， 為偏差量屬于各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)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(shù)I中，令j = -2, _1，0,1，2分別代 表負(fù)向大NB，負(fù)向小NS，零偏差ZE，正向小PS，正向大PB，Pj的隸屬度函數(shù)簇抖(Λ-)為：
所述步驟5. 2的直線距離偏差量隸屬度函數(shù)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(shù)簇/M 為：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)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(duì)所述舵角偏轉(zhuǎn)控制量U引入舵角偏轉(zhuǎn)控制量隸屬度函數(shù) U- , Uj = [v,//,- (x) I X e [-25,25]} 式中舵角偏轉(zhuǎn)控制量隸屬度函數(shù)％是一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)為j的模糊集合，je整數(shù)，a W為 偏差量屬于各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)，令j =-2, _1，0，1，2分別代表了負(fù)向大NB，負(fù)向 小NS，零偏差ZE，正向小PS，正向大PB，Uj的隸屬度函數(shù)簇//,. (X)為：
步驟6. 2 :對(duì)所述油門(mén)開(kāi)度控制量V引入油門(mén)開(kāi)度控制量隸屬度函數(shù)Vj, Fj = (.v)j.ve[0,60]} 式中所述油門(mén)開(kāi)度控制量隸屬度函數(shù)'是一個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)為j的模糊集合，j e自整數(shù)， A W為偏差量屬于各個(gè)模糊集合的隸屬度函數(shù)，令j = 0,1，2分別代表零油門(mén)Z ()，小油 門(mén)S，大油門(mén)B，Vj的隸屬度函數(shù)簇A (.vj為：
步驟6. 3 :引入中間變量％、ω,，i e整數(shù)，k e整數(shù)，計(jì)算公式為：
其中符號(hào)"Λ"指取小，即取交集； 步驟6. 4:根據(jù)所述中間變量《i、COk計(jì)算舵角偏轉(zhuǎn)控制量U，計(jì)算公式為：
步驟6. 5:根據(jù)所述中間變量ωρ ω,計(jì)算油門(mén)開(kāi)度控制量V，計(jì)算公式為：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)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(jì)算單位時(shí)間航向角偏差率Pt= P/t，單位取角度/秒； 步驟6. 7 :當(dāng)所述航向角偏差率Pt> 30角度/秒時(shí)，控制間隔為1秒；當(dāng)30角度/秒 >所述航向角偏差率Pt> 5角度/秒時(shí)，控制間隔為2秒；當(dāng)所述航向角偏差率P t〈5角度 /秒時(shí)，控制間隔為5秒。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于模糊自適應(yīng)算法的無(wú)人艇航向航速協(xié)同控制方法，針對(duì)常規(guī)控制方法中運(yùn)動(dòng)模型較難精確確定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)不理想、抗干擾能力較弱等問(wèn)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(yīng)度，避免了常規(guī)方法中的船體運(yùn)動(dòng)建模問(wèn)題；提出了改進(jìn)的兩輸入兩輸出USV模糊控制算法，增加了距離模糊域函數(shù)作為算法輸入，并將航向和航速都納入自主控制范圍，進(jìn)行協(xié)同控制，提高了USV運(yùn)動(dòng)控制的收斂速度，增強(qiáng)了控制的魯棒性；采用航向角偏差率作為運(yùn)行環(huán)境不確定性和運(yùn)行狀態(tài)偏差程度的度量，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制間隔參數(shù)，使控制算法能夠根據(jù)控制環(huán)境的變化，自適應(yīng)的調(diào)整控制參數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了自主控制系統(tǒng)的智能性。
【IPC分類】G05B13-04, G05D1-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104765368
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510169286
【發(fā)明人】陳于濤, 曹詩(shī)杰, 陳林根, 曾凡明, 劉永葆
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日