一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，采用模糊控制器将无人水面艇到目标路径的垂直距离Δh、无人水面艇的实际航行方向与给定路径方向的夹角Δθ，经过模糊化、模糊推理和去模糊化，得出无人水面艇左侧、右侧推进电机的电压变化值ΔUl、ΔUr，通过计算得到左侧推进电机的输入电压Ul和右侧推进电机的输入电压Ur，进而控制无人水面艇路径，无人水面艇的当前状态作为反馈环节返回到模糊控制器输入端。采用本发明方法能平稳、准确跟踪目标路径，直线路径控制精确度高，易于实施，有较高的智能性，本发明为无人水面艇直线路径跟踪提供了一种新的方法。
【专利说明】一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法【技术领域】
[0001]本发明涉及无人水面艇智能控制【技术领域】，具体地说，是一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法。
【背景技术】
[0002]无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台，可承担情报收集、监视侦察、扫雷、反潜、精确打击、搜捕、水文地理勘察、反恐、中继通信等功能，在军用和民用方面发挥着重要的作用。目前多个国家都在开展关于无人水面艇的相关研究，美国和以色列在无人艇的研究和应用方面走在世界前列。20世纪90年代国外关于USV的研究项目大量出现，如美国“斯巴达侦察兵”无人水面艇、以色列“保护者”无人水面艇。而国内无人水面艇的发展起步较晚，多数还处于遥控设计阶段，与美国等西方发达国家相比，关键技术差距比较大。因此，对无人水面艇智能化方面的前瞻性技术的探索和研究十分必要且紧迫。
[0003]无人水面艇的路径跟踪技术是实现无人水面艇智能化控制的关键技术之一，而直线跟踪是路径跟踪的基础。张晓杰等(张晓杰，冯海涛，熊亚洲等.一种双电力推进无人水面艇的非线性建模、仿真和实验[J].船舶工程)提出了一种采用PID控制实现无人艇的直线路径跟踪的方法，该方法在无人水面艇的实际航向与给定路径方向的差值较大时会出现较大的迴转现象。廖煜雷等(廖煜雷，万磊.欠驱动船舶直线航迹的滑模控制方法[J].应用科技)基于滑模控制理论和Backstepping法,提出了一种反步自适应滑模控制律,该方法需要建立数学模型，并且比较复杂。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法。该方法利用无人水面艇到目标路径的垂直距离以及无人水面艇的实际航向与给定路径方向的夹角来确定无人水面艇的当前状态，根据模糊推理的方法实时调整左右两侧推进电机的输入电压，进而改变无人水面艇的运动状态，实现无人水面艇自主直线路径跟踪。
[0005]为实现上述目的，本发明采取的技术方案是:
[0006]一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，采用模糊控制器将无人水面艇到目标路径的垂直距离Ah、无人水面艇的实际航行方向与给定路径方向的夹角Λ Θ，经过模糊化、模糊推理和去模糊化，得出无人水面艇左侧、右侧推进电机的电压变化值Δ U1' Δ Ur,通过计算得到左侧推进电机的输入电压U1和右侧推进电机的输入电压Ur,进而控制无人水面艇路径，无人水面艇的当前状态作为反馈环节返回到模糊控制器输入端。
[0007]所述的模糊控制器包括Ah和Λ Θ计算模块、模糊化模块、模糊推理单元和去模糊化模块，所述Ah和△ Θ计算模块将精确值输出给模糊化模块，模糊化模块将模糊值输出给模糊推理单元，模糊推理单元将模糊值输出给去模糊化模块，去模糊化模块将Λ&、Δ I输出给无人水面艇。
[0008]所述的模糊推理单元包括决策逻辑模块和知识库模块，所述决策逻辑模块与模糊化模块、去模糊化模块单向连接，决策逻辑模块与知识库模块双向连接。
[0009]所述的垂直距离Ah采用向量叉积方法计算，目标路径起始点A(xn，yn)，终止点B (xm, ym),无人水面艇质心坐标O (X，y),则
[0010]
【权利要求】
1.一种基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，采用模糊控制器将无人水面艇到目标路径的垂直距离Ah、无人水面艇的实际航行方向与给定路径方向的夹角Λ Θ，经过模糊化、模糊推理和去模糊化，得出无人水面艇左侧、右侧推进电机的电压变化值AUp ，通过计算得到左侧推进电机的输入电压U1和右侧推进电机的输入电压I，进而控制无人水面艇路径，无人水面艇的当前状态作为反馈环节返回到模糊控制器输入端。
2.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的模糊控制器包括Ah和△ Θ计算模块、模糊化模块、模糊推理单元和去模糊化模块，所述Ah和△ Θ计算模块将精确值输出给模糊化模块，模糊化模块将模糊值输出给模糊推理单元，模糊推理单元将模糊值输出给去模糊化模块，去模糊化模块将△&、输出给无人水面艇。
3.根据权利要求2所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的模糊推理单元包括决策逻辑模块和知识库模块，所述决策逻辑模块与模糊化模块、去模糊化模块单向连接，决策逻辑模块与知识库模块双向连接。
4.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的垂直距离Ah采用向量叉积方法计算，目标路径起始点A(xn，yn)，终止点B (xm, ym),无人水面艇质心坐标O (X，y),则
5.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的夹角Δ Θ采用向量点积方法计算，目标路径起始点A(xn, yn),终止点B(xm, ym),无人水面艇质心坐标0(x，y)，目标路径AB与X轴的夹角为Φ，设沿X轴的单位向量为π(1, 0)，向量丽I (xm — χη, y, — yn)，Φ的计算公式为
6.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的无人水面艇左侧推进电机的输入电压U1的计算公式为U1=12+AU1，所述的无人水面艇右侧推进电机的输入电压Ur的计算公式为1=12+Λ U-
7.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的Ah的基本论域为[一 20，20]，单位为米；所述的Λ Θ的基本论域为[一 π，π]，单位为弧度；所述的AUp AUr的基本论域均为[一 12，12]，单位V。
8.根据权利要求1所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的Ah、Λ Θ、AU1和Λ &为精确量，对应的模糊变量分别为E、EC、AU11和AUra ；E被模糊化为{负大，负中2，负中1，负小，零，正小，正中1，正中2，正大}，表示为{NB，匪2，NMl，NS，Z，PS, PMl，PM2，PB} ;EC被模糊化为{负大，负中2，负中I，负小2，负小1，零，正小 1，正小 2，正中 1，正中 2，正大}，表示为{NB, NM2, NMl, NS2, NSl, Z，PSl, PS2，PMl, PM2，PB} ; Λ U11和均被模糊化为{负大，负中2，负中1，负小2，负小1，零，正小1，正小2，正中 1，正中 2，正大}，Λ U11 和 Λ U? 的模糊集均为{NB，NM2，NM1，NS2，NS1，Z，PS1，PS2，PM1，PM2, PB}。
9.根据权利要求8所述的基于模糊控制的无人水面艇直线路径跟踪方法，其特征在于，所述的模糊推理基于下述的表格获取模糊规则结果:
【文档编号】G05D1/02GK103760902SQ201410015079
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月14日 优先权日:2014年1月14日
【发明者】吴玉平, 王建华, 杨钊, 杨聪哲 申请人:上海海事大学