一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法

2023-11-11 22:19:17 4

一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，採用模糊控制器將無人水面艇到目標路徑的垂直距離Δh、無人水面艇的實際航行方向與給定路徑方向的夾角Δθ，經過模糊化、模糊推理和去模糊化，得出無人水面艇左側、右側推進電機的電壓變化值ΔUl、ΔUr，通過計算得到左側推進電機的輸入電壓Ul和右側推進電機的輸入電壓Ur，進而控制無人水面艇路徑，無人水面艇的當前狀態作為反饋環節返回到模糊控制器輸入端。採用本發明方法能平穩、準確跟蹤目標路徑，直線路徑控制精確度高，易於實施，有較高的智能性，本發明為無人水面艇直線路徑跟蹤提供了一種新的方法。
【專利說明】一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法【技術領域】
[0001]本發明涉及無人水面艇智能控制【技術領域】，具體地說，是一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法。
【背景技術】
[0002]無人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)是一種具有自主規劃、自主航行能力，並可自主完成環境感知、目標探測等任務的小型水面平臺，可承擔情報收集、監視偵察、掃雷、反潛、精確打擊、搜捕、水文地理勘察、反恐、中繼通信等功能，在軍用和民用方面發揮著重要的作用。目前多個國家都在開展關於無人水面艇的相關研究，美國和以色列在無人艇的研究和應用方面走在世界前列。20世紀90年代國外關於USV的研究項目大量出現，如美國「斯巴達偵察兵」無人水面艇、以色列「保護者」無人水面艇。而國內無人水面艇的發展起步較晚，多數還處於遙控設計階段，與美國等西方發達國家相比，關鍵技術差距比較大。因此，對無人水面艇智能化方面的前瞻性技術的探索和研究十分必要且緊迫。
[0003]無人水面艇的路徑跟蹤技術是實現無人水面艇智能化控制的關鍵技術之一，而直線跟蹤是路徑跟蹤的基礎。張曉傑等(張曉傑，馮海濤，熊亞洲等.一種雙電力推進無人水面艇的非線性建模、仿真和實驗[J].船舶工程)提出了一種採用PID控制實現無人艇的直線路徑跟蹤的方法，該方法在無人水面艇的實際航向與給定路徑方向的差值較大時會出現較大的迴轉現象。廖煜雷等(廖煜雷，萬磊.欠驅動船舶直線航跡的滑模控制方法[J].應用科技)基於滑模控制理論和Backstepping法,提出了一種反步自適應滑模控制律,該方法需要建立數學模型，並且比較複雜。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是針對現有技術中的不足，提供一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法。該方法利用無人水面艇到目標路徑的垂直距離以及無人水面艇的實際航向與給定路徑方向的夾角來確定無人水面艇的當前狀態，根據模糊推理的方法實時調整左右兩側推進電機的輸入電壓，進而改變無人水面艇的運動狀態，實現無人水面艇自主直線路徑跟蹤。
[0005]為實現上述目的，本發明採取的技術方案是:
[0006]一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，採用模糊控制器將無人水面艇到目標路徑的垂直距離Ah、無人水面艇的實際航行方向與給定路徑方向的夾角Λ Θ，經過模糊化、模糊推理和去模糊化，得出無人水面艇左側、右側推進電機的電壓變化值Δ U1' Δ Ur,通過計算得到左側推進電機的輸入電壓U1和右側推進電機的輸入電壓Ur,進而控制無人水面艇路徑，無人水面艇的當前狀態作為反饋環節返回到模糊控制器輸入端。
[0007]所述的模糊控制器包括Ah和Λ Θ計算模塊、模糊化模塊、模糊推理單元和去模糊化模塊，所述Ah和△ Θ計算模塊將精確值輸出給模糊化模塊，模糊化模塊將模糊值輸出給模糊推理單元，模糊推理單元將模糊值輸出給去模糊化模塊，去模糊化模塊將Λ&、Δ I輸出給無人水面艇。
[0008]所述的模糊推理單元包括決策邏輯模塊和知識庫模塊，所述決策邏輯模塊與模糊化模塊、去模糊化模塊單向連接，決策邏輯模塊與知識庫模塊雙向連接。
[0009]所述的垂直距離Ah採用向量叉積方法計算，目標路徑起始點A(xn，yn)，終止點B (xm, ym),無人水面艇質心坐標O (X，y),則
[0010]
【權利要求】
1.一種基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，採用模糊控制器將無人水面艇到目標路徑的垂直距離Ah、無人水面艇的實際航行方向與給定路徑方向的夾角Λ Θ，經過模糊化、模糊推理和去模糊化，得出無人水面艇左側、右側推進電機的電壓變化值AUp ，通過計算得到左側推進電機的輸入電壓U1和右側推進電機的輸入電壓I，進而控制無人水面艇路徑，無人水面艇的當前狀態作為反饋環節返回到模糊控制器輸入端。
2.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的模糊控制器包括Ah和△ Θ計算模塊、模糊化模塊、模糊推理單元和去模糊化模塊，所述Ah和△ Θ計算模塊將精確值輸出給模糊化模塊，模糊化模塊將模糊值輸出給模糊推理單元，模糊推理單元將模糊值輸出給去模糊化模塊，去模糊化模塊將△&、輸出給無人水面艇。
3.根據權利要求2所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的模糊推理單元包括決策邏輯模塊和知識庫模塊，所述決策邏輯模塊與模糊化模塊、去模糊化模塊單向連接，決策邏輯模塊與知識庫模塊雙向連接。
4.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的垂直距離Ah採用向量叉積方法計算，目標路徑起始點A(xn，yn)，終止點B (xm, ym),無人水面艇質心坐標O (X，y),則
5.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的夾角Δ Θ採用向量點積方法計算，目標路徑起始點A(xn, yn),終止點B(xm, ym),無人水面艇質心坐標0(x，y)，目標路徑AB與X軸的夾角為Φ，設沿X軸的單位向量為π(1, 0)，向量麗I (xm — χη, y, — yn)，Φ的計算公式為
6.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的無人水面艇左側推進電機的輸入電壓U1的計算公式為U1=12+AU1，所述的無人水面艇右側推進電機的輸入電壓Ur的計算公式為1=12+Λ U-
7.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的Ah的基本論域為[一 20，20]，單位為米；所述的Λ Θ的基本論域為[一 π，π]，單位為弧度；所述的AUp AUr的基本論域均為[一 12，12]，單位V。
8.根據權利要求1所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的Ah、Λ Θ、AU1和Λ &為精確量，對應的模糊變量分別為E、EC、AU11和AUra ；E被模糊化為{負大，負中2，負中1，負小，零，正小，正中1，正中2，正大}，表示為{NB，匪2，NMl，NS，Z，PS, PMl，PM2，PB} ;EC被模糊化為{負大，負中2，負中I，負小2，負小1，零，正小 1，正小 2，正中 1，正中 2，正大}，表示為{NB, NM2, NMl, NS2, NSl, Z，PSl, PS2，PMl, PM2，PB} ; Λ U11和均被模糊化為{負大，負中2，負中1，負小2，負小1，零，正小1，正小2，正中 1，正中 2，正大}，Λ U11 和 Λ U? 的模糊集均為{NB，NM2，NM1，NS2，NS1，Z，PS1，PS2，PM1，PM2, PB}。
9.根據權利要求8所述的基於模糊控制的無人水面艇直線路徑跟蹤方法，其特徵在於，所述的模糊推理基於下述的表格獲取模糊規則結果:
【文檔編號】G05D1/02GK103760902SQ201410015079
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】吳玉平, 王建華, 楊釗, 楊聰哲 申請人:上海海事大學