雙體槽道型雙泵噴水推進(jìn)無人艇航向控制算法研究

竇 強(qiáng)

（海裝駐連云港地區(qū)軍事代表室，江蘇 連云港 222061）

隨著人工智能，自主控制等技術(shù)的發(fā)展，無人自主艇自主航行，自主任務(wù)執(zhí)行成為可能，為無人艇在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用打開了廣闊的前景，當(dāng)前主要被應(yīng)用于海洋環(huán)境勘測、情報搜集、目標(biāo)跟蹤等。無人艇以其無人化、自主化、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，作為武器平臺執(zhí)行目標(biāo)打擊任務(wù)越來越受到世界各科技強(qiáng)國的重視，以色列、美國、德國、日本等國家投入大量資金進(jìn)行技術(shù)驗證和原型艇試驗，其中以色列的“海上騎士”無人艇成為世界首款裝備導(dǎo)彈并完成發(fā)射試驗的無人艇。

無人作戰(zhàn)艇在設(shè)計時，需要具備高速性，在執(zhí)行打擊任務(wù)時，能夠快速占領(lǐng)有利于目標(biāo)打擊的武器發(fā)射陣位；高機(jī)動性，在遇到危險或非法逼近時，能夠以其高機(jī)動性擺脫非法劫艇；大甲板面，能夠盡可能多地布置武器數(shù)量和種類。雙體槽道型艇采用槽道滑行艇艇型，艇底部有一槽道，當(dāng)艇處于低速或靜浮航行時，雙體之間的槽道和兩側(cè)片體完全浸于水中，較大的型寬和兩側(cè)片體有利于艇的平衡，在高速航行時，兩側(cè)片體的楔形橫剖面大大降低了波浪中的砰擊力，從而獲得高速平穩(wěn)的行駛性能，海上行駛時，該型艇具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、波浪中失速小、耐波性能好、波浪中碰擊載荷小、乘坐平穩(wěn)舒適、抗沉抗翻性好、航行速度快、海上突防能力強(qiáng)、續(xù)航距離遠(yuǎn)、載重量大、甲板有效裝載面積大、甲板淹濕量少等顯著優(yōu)點(diǎn)，從而在無人作戰(zhàn)艇艇型選擇上選用了雙體槽道型艇，以保證無人艇的高速性、高機(jī)動性和大甲板面。噴水推進(jìn)裝置是一種新型特種動力裝置，通過船底管道吸進(jìn)水流，推進(jìn)泵噴出水流形成的反作用力驅(qū)動船舶向前運(yùn)動，因此具有操縱靈活、機(jī)動性強(qiáng)、噪聲和振動小、吃水淺、淺水效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)［1］，在民用船舶和軍用艦艇均廣泛采用噴水推進(jìn)技術(shù)，本文涉及的無人艇采用了2臺噴水推進(jìn)器。

無人艇運(yùn)動控制是無人作戰(zhàn)艇最基礎(chǔ)、最重要的功能，是無人艇自主多任務(wù)執(zhí)行，發(fā)揮其固有優(yōu)勢的必備前提條件。在傳統(tǒng)船舶運(yùn)動控制中，任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行航路規(guī)劃，向航行控制系統(tǒng)發(fā)送期望航向角，航行控制系統(tǒng)控制船舶轉(zhuǎn)向期望的航向角，因此無人艇運(yùn)動控制中航向控制占有極其重要的位置。為將操舵手從船舶駕駛中解放出來，自20世紀(jì)20年代開始，共歷經(jīng)了四代船舶自動操舵控制裝置的發(fā)展，第一代機(jī)械自動舵［1］，采用比例控制技術(shù)，首次實現(xiàn)船舶航向自動控制，但航向保持精度較低；第二代自動舵［3?4］應(yīng)用PID控制方法，控制精度明顯提高，但對環(huán)境應(yīng)變能力差，操舵頻繁、幅度大，能耗顯著；第三代自適應(yīng)舵［5?6］應(yīng)用最優(yōu)控制、穩(wěn)定性理論以及自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制理論，但設(shè)備成本高、參數(shù)調(diào)整難度大，受船舶所處環(huán)境的非線性和不確定性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性難以保證；第四代智能舵［7?11］采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工免疫等智能控制方法，自適應(yīng)性、魯棒性、穩(wěn)定性均有顯著改善，但控制器復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整較難，需要樣本數(shù)據(jù)積累。針對本文涉及無人艇，雙體槽道型雙泵噴水推進(jìn)，噸位小，受海洋環(huán)境干擾大，無人自主航行，自動舵設(shè)備安裝空間有限，本文通過研究無人艇航向控制算法并應(yīng)用于無人艇航控系統(tǒng)，實現(xiàn)無人艇的航向和姿態(tài)控制。

1 航向控制算法研究

無人艇航行時受到興波阻力、黏性阻力、飛沫阻力、靜浮力、動壓力、水動升力、水動阻力、水動側(cè)力、摩擦阻力、艇體重力、動排水浮力、噴泵推力等的共同作用，同時受到海洋環(huán)境（如：海浪、海風(fēng)等）的擾動影響，其是一個非線性、不確定性和動態(tài)不穩(wěn)定性系統(tǒng)，在無人艇適裝性和經(jīng)濟(jì)性方面可選擇的自動舵系統(tǒng)均不能將無人艇的航向控制在規(guī)定的精度范圍內(nèi)。

11 傳統(tǒng)PID航向控制算法

PID控制因其算法簡單、可靠性強(qiáng)、物理意義明確，在20世紀(jì)50年代便被用于自動舵，較第一代自動舵大幅提升了航向控制精度，控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)PID控制原理圖

傳統(tǒng)PID航向控制算法是針對期望航向r（t）與實際運(yùn)動航向c（t）的偏差e（t）＝r（t）－c（t）進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，解算輸出舵角u（t），通過限幅機(jī)構(gòu)將舵角變化值限定在安全范圍內(nèi)，進(jìn)而對無人艇進(jìn)行控制，其控制原理為

傳統(tǒng)PID航向控制算法通過調(diào)節(jié)Kp、Ki、Kd實現(xiàn)航向自動控制，其中Kp影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度，過大易引起震蕩，過小則降低系統(tǒng)響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度，在船舶類平臺會破壞系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)特性；Ki起到消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的作用，過大會引起超調(diào)，否則降低控制精度；Kd用于預(yù)測偏差變化，適當(dāng)?shù)闹悼捎行嵘到y(tǒng)動態(tài)特性［12］。綜上可見，傳統(tǒng)PID航向控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)無人艇動態(tài)特性（速度、載重、水深、外型等）或所處環(huán)境（風(fēng)、浪、流等）發(fā)生變化時，其控制參數(shù)需進(jìn)行適應(yīng)性修訂，否則將導(dǎo)致航向控制效果變差（如頻繁操舵、大幅度操舵等），然而參數(shù)的修訂受到人員經(jīng)驗、外界干擾等影響，不可控且低重復(fù)性，因此為提升傳統(tǒng)PID航向控制算法性能，增強(qiáng)其適應(yīng)性，需要對傳統(tǒng)PID航向控制算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

模糊理論引入隸屬度函數(shù)描述某個狀態(tài)介于“0”或“1”之間的程度?；谀：碚摰目刂破魇墙⒃谌斯げ俣婊A(chǔ)上，操舵手在沒有精確數(shù)學(xué)模型的前提下，根據(jù)經(jīng)驗，采取相應(yīng)的對策，對船舶進(jìn)行定量控制。針對傳統(tǒng)PID航向控制算法參數(shù)選定困難的問題，引入模糊控制算法，實時監(jiān)測輸出誤差e（t），計算誤差變化率?e（t），根據(jù)e（t）和?e（t），查詢模糊規(guī)則表獲取控制量，進(jìn)而實現(xiàn)實時調(diào)整PID控制參數(shù)［13］。

12 模糊PID航向控制算法

無人艇模糊PID航向控制算法就是運(yùn)用模糊理論，構(gòu)建模糊控制規(guī)則表，根據(jù)無人艇航向的實際誤差及誤差變化率，實現(xiàn)PID控制器控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而增強(qiáng)無人艇航向控制的環(huán)境應(yīng)變能力。其原理圖如圖2所示。

圖2 模糊PID航向控制原理圖

模糊PID航向控制算法在執(zhí)行過程中，不斷檢測誤差e（t）以及誤差變化率?e（t），進(jìn)行模糊化處理，根據(jù)模糊規(guī)則，調(diào)整PID控制器的Kp、Kd、Ki參數(shù)，進(jìn)而使無人艇航向控制具有良好的動態(tài)性。

1）模糊集合

模糊PID航向控制算法有二個輸入（e（t）、?e（t））和三個輸出（Kp、Kd、Ki），其模糊集劃分為｛負(fù)大（－B）、負(fù)中（－M）、負(fù)小（－S）、零（0）、正小（＋S）、正中（＋M）、正大（＋B）｝。根據(jù)參數(shù)的物理意義及無人艇特性，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，分別選定e（t）、?e（t）、Kp、Kd、Ki的論域為［－20，20］、［－3，3］、［－3，3］、［－10，10］、［－02，02］，e（t）、?e（t）的隸屬函數(shù)選取對稱、均勻分布的高斯函數(shù)：

其中χ表示中心值，σ表示取值范圍，對應(yīng)設(shè)計的模糊集劃分和論域，其圖形如圖3所示。

圖3 航向誤差和航向誤差變化率隸屬函數(shù)圖形

2）模糊規(guī)則

無人艇模糊控制是基于操船員在航向控制時的操作經(jīng)驗歸納總結(jié)，形成模糊控制規(guī)則。人工操作噴水推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)向時，一般先給一個較大的噴口轉(zhuǎn)角，讓轉(zhuǎn)向運(yùn)動快速啟動、加速，此為啟動階段；待回轉(zhuǎn)角速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，用一個適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角維持等速回轉(zhuǎn)，此為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)階段；當(dāng)航向接近期望航向時，再加一個較小的反舵，阻止過調(diào)，此為轉(zhuǎn)向結(jié)束階段［14?15］。根據(jù)上述人工操舵設(shè)計模糊規(guī)則表，見表1—表3。

表1 Kp模糊規(guī)則表

表2 Kd模糊規(guī)則表

表3 Ki模糊規(guī)則表

3）模糊推理

通過Matlab進(jìn)行仿真模糊推理，模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖4所示（參數(shù)Kd結(jié)構(gòu)圖），根據(jù)模糊規(guī)則表，轉(zhuǎn)換為模糊語句“If（eisXX）and（de／dtisYY）then（Kdis ZZ）”，設(shè)置模糊推理器，解模糊后輸出結(jié)果見圖5。

圖4 模糊控制器控制結(jié)構(gòu)圖

圖5 控制參數(shù)器Kp、Kd、Ki與e（t）、?e（t）模糊關(guān)系圖

2 試驗結(jié)果

將模糊航向控制算法應(yīng)用于無人艇航行控制決策系統(tǒng)中，在2級海況下，近海區(qū)域進(jìn)行驗證，測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖6，a）為10節(jié)定速模式下的航路跟蹤，實際航向能夠跟隨期望航向快速收斂，抖動??；b）為定速定向模式下航行控制試驗，航速6kn，以90°期望航向航行170s后設(shè)置期望航向180°，24s后，航向穩(wěn)定在180°±2°誤差范圍內(nèi)。從試驗數(shù)據(jù)可以看出，該航向控制算法在真實環(huán)境中能夠快速控制無人艇收斂到期望航向。

圖6 海上試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3 結(jié)束語

模糊PID航向控制算法以傳統(tǒng)PID控制為基礎(chǔ)，引入模糊數(shù)學(xué)理論，無須構(gòu)建無人艇動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)航向誤差e（t）和誤差變化率?e（t）自動調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)。從試驗結(jié)果可以看出，設(shè)計的模糊航向控制算法可控制無人艇航向快速收斂到期望航向，且航向控制抖動小，精度高。模糊PID航向控制算法克服了傳統(tǒng)PID控制算法人工參數(shù)修訂的不可控和低重復(fù)性，同時因為其能夠在線自修訂參數(shù)，因此也具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和較好的魯棒性。