基于模糊PID的無人水面艇直線路徑跟蹤

楊 釗,王建華,吳玉平

(上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室,上海201306)

基于模糊PID的無人水面艇直線路徑跟蹤

楊 釗,王建華,吳玉平

(上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室,上海201306)

針對固定參數PID方法在無人水面艇直線路徑跟蹤控制中出現的大迴轉問題,提出一種基于模糊PID的直線路徑跟蹤方法。在系統中增加模糊推理模塊,利用航向與跟蹤直線之間的偏差角以及無人艇位置與跟蹤直線之間的距離誤差,根據模糊推理的方法動態地調整PID參數。通過PID控制器實時調整左右兩側推進電機的輸入電壓,實現對給定直線路徑的自主跟蹤。仿真結果表明,在初始航向偏差角較大時,該方法克服了采用固定參數PID控制方法時出現的大迴轉現象;在初始航向偏差角較小時,該方法在超調量以及調節時間方面的直線跟蹤性能優于固定參數PID控制方法。

無人水面艇;直線路徑跟蹤;模糊推理;PID控制器;距離偏差;角度偏差

1 概述

無人水面艇(Unmanned Surface Vessel,USV)是一種可以在復雜海洋環境中執行各種任務的智能化無人平臺[1],它可以代替人類在海洋中完成一些危險任務。20世紀90年代,國外關于USV的研究項目大量出現[2],美國和以色列等國家在這方面處于領先地位[3-5],例如美國的“Spartan”,以色列的“Protector”,它們既能自主航行也可遙控操縱,裝備有攝像機、導航雷達、GPS等設備。在民用方面,麻省理工(MIT)的AUV實驗室在海洋基金項目資助下研發了一系列的水面機器人,用于各種不同的任務。在MIT研究項目的鼓舞下,英國、意大利、葡萄牙等國家已研制出多種水面機器人,應用于海洋環境監測、水文勘測、水上網絡組建和水面溢油處理等領域[6]。國內起步比較晚,相對國外差距較大,而且國內的無人水面艇研究大都在遙控的階段,無人水面艇的智能化關鍵技術方面還很薄弱,因此在無人水面艇智能化方面的前瞻性技術探索和研究不僅很有必要,而且十分緊迫[7]。無人水面艇的自主路徑跟蹤是實現無人水面艇智能化的關鍵技術之一[8-9],而直線跟蹤是路徑跟蹤的基礎。

關于無人水面艇路徑跟蹤的研究已有較多文獻,文獻[10]針對無人滑行艇的航向跟蹤非線性系統,提出了一種反步自適應滑模控制方法,并在設計中考慮到了未知誤差以及環境干擾的影響。文獻[11]針對無人水面艇具有非線性、強耦合、時變的特點結合模糊控制及神經網絡的優點設計了模糊神經網絡控制系統,通過控制噴泵噴射角度來控制航向。文獻[12]針對欠驅動船舶航行中存在風、浪、流等因素干擾的情況提出了一種魯棒路徑跟蹤控制算法。文獻[13]針對采用噴水推進器的高速無人水面艇的強非線性,采用神經網絡和模糊PID控制器相結合的方法控制噴泵噴射角以及柴油機轉速實現對無人水面艇快速、精確的控制。文獻[14]針對洋流干擾的情況下,提出了一種基于 LOS(Line-of-Sight)的控制方法。文獻[15]采用基于LOS的預測模型控制方法對無人水面艇進行控制。文獻[16]針對欠驅動無人水面艇設計了一種新的非線性控制器,包括導航模塊和非線性控制器模塊,經過仿真該控制器滿足預期要求。文獻[17]利用滑模控制方法設計了軌跡跟蹤控制器,并進行了實驗驗證。實驗結果表明,該方法能跟蹤直線以及圓形軌跡[18],描述了一個小型低成本海洋探測型ASV的工程設計方法,該設備采用GPS輔助航點指引;控制系統主要由采用PD控制器的自動舵系統和基于GPS的LOS規劃系統構成,并且進行了海上實驗。本文在上述研究的基礎上,提出一種基于模糊PID的直線路徑跟蹤方法。

2 相關研究

在上海市科委的資助下,上海海事大學航運技術與控制工程交通行業重點實驗室研制出了一種具有完全自主知識產權的無人水面艇[19],如圖1所示。

圖1 無人水面艇實物圖

該無人水面艇的動力為兩臺位置固定的水下電動推進器,通過控制兩側螺旋槳的轉速差來控制航向,螺旋槳由直流電動機驅動。經水上實驗驗證該無人水面艇能夠在手動遙控的情況下進行包括港口監控、水質采樣、水文勘察、海事搜救等任務。目前正在進行該無人水面艇自主航行的研究,文獻[20]采用PID控制方法實現該無人水面艇的直線路徑跟蹤控制,但PID控制器在無人水面艇初始航向角和跟蹤路徑傾斜角偏差較大時會出現大迴轉現象,如圖2所示,其中φ為無人水面艇的起始航向角與直線路徑傾斜角的偏差。針對這個問題以及實驗對象的特點,本文采用模糊PID方法,根據輸入進行模糊推理,在線調整PID參數,實驗結果表明,該方法能有效避免大迴轉現象的發生,而且直線跟蹤性能優于PID控制器。

圖2 PID算法大迴轉現象

3 基于模糊PID的USV直線路徑跟蹤方法

3.1 系統結構

系統結構如圖3所示,無人水面艇上裝有GPS裝置,可以動態地獲得航向角θ及當前經緯度坐標值。模糊PID控制器主要分為4部分,分別為距離計算器、角度偏差比較器、PID控制器以及模糊推理模塊。

圖3 系統結構

在圖3中,R為指定路徑;e為無人水面艇與目標路徑的距離誤差。模糊推理模塊利用距離偏差e以及航向角偏差φ在線調整PID參數值,其輸出是PID各參數的值。PID控制器利用調整后的PID參數和當前誤差,計算出左右電動推進器的控制電壓。

3.2 距離及角度偏差計算

本文采用向量叉積方法計算距離誤差,如圖4所示。

圖4 距離及角度偏差計算示意圖

設A,B,O3點的坐標分別為:

其中,AB,AO,i,j,k均為向量。

令e=(x2-x1)(y3-y1)-(x3-x1)(y2-y1)如果A,B,O3點是逆時針分布,則e為正值;若為順時針分布,則e為負值。可以根據計算結果的符號來判斷無人水面艇在路徑的左側或右側,同時又可以根據偏差絕對值的大小來判斷無人水面艇與目標路徑的距離誤差。角度偏差即航向偏差角φ,表示航向角與直線傾斜角的偏差,其計算公式如下:

其中,θ為無人水面艇航向角;α為直線路徑傾斜角。

3.3 PID控制器

本文中的PID控制器輸入為無人水面艇與目標路徑的距離誤差e,利用模糊控制器調整PID參數,計算出左右電動推進器的控制電壓U。PID控制器時域輸出如式(3)所示:

其中,e(t)為t時刻無人水面艇與目標路徑的距離誤差,Kpl,Kil,Kdl分別為左側電機調速時所用的PID各參數值;Kpr,Kir,Kdr分別為右側電機調速時所用的PID各參數值,U(t)l,U(t)r分別表示在t時刻左側和右側電機的電壓值。

將其離散化可化為:

其中,e(k)為k時刻無人水面艇與目標路徑的距離誤差;Ulk與Urk分別表示在k時刻左側和右側的電壓值。增量式PID控制算法方程如下:

其中,ΔUlk,ΔUrk分別表示k時刻左側和右側施加于電機上的電壓增量。

3.4 模糊推理

本文利用航向偏差角φ以及距離偏差e作為模糊控制器的輸入語言變量,PID參數值為輸出的語言變量。定義航向偏差角φ的基本論域為(-2, -1,0,1,2),定義其模糊子集為{NB,NS,ZO,PS, PB}。定義距離偏差e及 PID各參數的論域為(-3,-2,-1,0,1,2,3)。定義它們的模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。在進行模糊推理前首先要將基本論域范圍內連續的變化量進行離散化變換[21]。因此設航向偏差角φ的變化范圍為[-2 2],如果不在此區間可通過線性變化式(7)將任意連續范圍[a b]轉化到[-2 2]。設距離偏差e的變化范圍為[-3 3],如不在此區間可通過線性變化式(8)將任意連續范圍[c d]轉化到[-3 3]。以三角形函數建立隸屬度函數。以左側電機調速時的PID參數為例建立推理規則表,如表1～表3所示。

表1 Kpl模糊推理規則

表2 Kpl模糊推理規則表

表3 Kdl模糊推理規則

當系統正常運行時,利用航向偏差角φ以及距離偏差e與PID參數之間的模糊關系動態地調整PID的參數值,以獲得比較理想的動態及靜態特性。

4 仿真實驗

為了驗證本文所述方法的性能,分別取直線斜率為正、為負、無窮大和0這4種情況,在每種情況下無人水面艇起點分別在直線兩側,并設起始位置的φ分別為П/3,0,-П/3,仿真結果如圖5所示,其中,A,B分別為無人水面艇在直線兩側的起點。

圖5 不同情況仿真實驗結果

從以上仿真可看出,本文方法在直線斜率、USV起點及起始角不同的情況下都有很好的跟蹤效果,表明本文算法具有較好的適應性。

在起始航向偏差角φ較大的情況下對本文方法和PID方法進行仿真對比,圖6是在無人水面艇起始點(2,8),φ為5П/4時跟蹤路徑2,以及φ為11П/12時跟蹤路徑1的仿真對比。

圖6 大起始航向偏差角情況對比仿真結果

結果顯示PID控制器在無人水面艇起始航向偏差角較大時出現大迴轉現象,本文方法避免了這一現象發生。

在前面實驗的基礎上對PID以及本文算法進行定量分析,對比仿真如圖7所示。

圖7 定量分析仿真對比

圖7 中無人水面艇初始位置為(2,28),φ分別為П/4,П/3,П/2時的跟蹤路線,性能指標對比如表4所示。

表4 性能指標對比

由表4中的定量分析可看出,模糊PID方法與PID方法相比降低了超調量并且縮短了調節時間。

本文方法之所以優于PID方法的原因是模糊PID能根據實時的情況,利用模糊規則來動態整定PID參數。而PID算法各項參數固定,不能實時調整。以圖7中航向偏差角度φ為П/3的路徑跟蹤仿真為例,其PID各參數的動態變化如圖8所示。

由于模糊PID方法可以在線調整PID參數,與PID方法相比它可以適應更多的環境,并獲得更優化的效果。

圖8 PID參數動態變化結果

5 結束語

本文采用模糊PID方法進行無人水面艇的直線路徑跟蹤,利用航向偏差角以及距離誤差,根據模糊推理規則動態調整PID的參數,進而通過PID控制器調整無人水面艇的運動姿態,實現直線路徑的自主跟蹤。仿真實驗結果表明,該方法能夠跟蹤不同斜率的直線路徑,克服了PID控制器在無人水面艇初始航向角與直線路徑傾斜角偏差較大時跟蹤路徑出現的大迴轉現象,在超調量和調節時間等方面的跟蹤性能優于PID控制器。

[1] 徐玉如,肖 坤.智能海洋機器人技術進展[J].自動化學報,2007,33(5):518-521.

[2] Bertram V.Unmanned SurfaceVehicles——A Survey [EB/OL].(2008-10-21).http://www.skibsteknis kselskab.dk/public/documenter/Skibsteknisk/Download% 20materiale/2008/10%20marts%2008/USVsurvey_DTU. pdf.

[3] 李家良.水面無人水面艇發展與應用[J].火力與指揮控制,2012,37(6):203-207.

[4] 廖煜雷.無人水面艇的非線性運動控制方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2012.

[5] Navy U S.The Navy Unmanned Surface Vehicle(USV) Master Plan[EB/OL].(2007-10-10).http://www. navy.mil/navydata/technology/usvmppr.pdf.

[6] Manley J.Unmanned Surface Vehicles,15 Years of Development[C]//Proc.of OCEAN’08.[S.1.]: MTS/IEEE Press,2008:214-219.

[7] 中國尚在起步階段智能是最大難點[N].科學時報, 2008-10-31.

[8] Bibuli B M,Caccia M,Lapierre L,et al.Guidance of Unmanned Surface Vehicles[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,2012,19(3):92-102.

[9] Bibuli M,Bruzzone G,Caccia M,et al.Line Following Guidance Control:Application to the Charlie Unmanned Surface Vehicle[C]//Proc.of2008 IEEE/RSJ InternationalConference on IntelligentRobots and Systems Acropolis Convention Center.Nice,France: [s.n.],2008:3641-3646.

[10] 廖煜雷,龐永杰,莊佳園.噴水推進型無人水面艇航向跟蹤的反步自適應滑模控制[J].計算機應用研究, 2012,29(1):82-84.

[11] 陳鷥鷺,程海邊.基于模糊神經網絡控制的水面無人水面艇建模與仿真[J].艦船科學技術,2010,32(11): 136-136.

[12] 王曉飛,張葆華,褚德英,等.基于解析模型預測控制的欠驅動船舶路徑跟蹤控制器設計[J].船海工程, 2012,41(1):135-137.

[13] 高 雙,朱齊丹,李 磊.基于神經網絡的高速無人水面艇模糊PID控制[J].系統仿真學報,2007,19(4): 776-779.

[14] B?rhaug E,Pavlov A,Pettersen K Y.Integral LOS Control for Path Following of Underactuated Marine Surface Vessels in the Presence of Constant Ocean Currents[C]//Proc.of the 47th IEEE Conference on Decision and Control.Cancun,Mexico:[s.n.],2008: 4983-4991.

[15] Oh S R,Sun Jing.Path Following of Underactuated MarineSurface VesselsUsing Line-of-sightBased Model Predictive Control[J].Ocean Engineering,2010, 37(1):289-295.

[16] Daly J M,Tribou M J,Waslander S L.A Nonlinear Path Following Controller for an Underactuated Unmanned Surface Vessel[C]//Proc.of 2012 IEEE/RSJ InternationalConference on IntelligentRobots and Systems.Algarve,Portugal:[s.n.],2012:82-87.

[17] Ashrafiuon H,Muske K R,Mcninch L,et al.Sliding Model Tracking Control of Surface Vessels[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(11): 4004-4011.

[18] Maurya D E,Pereira E P.A Small Autonomous Surface Vehicle for Ocean Color Remote Sensing[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,2007,32(2):353-364.

[19] 熊亞洲,張曉杰,馮海濤,等.一種面向多任務應用的無人水面艇[J].船舶工程,2012,34(1):16-19.

[20] 張曉杰.無人水面艇的路徑跟蹤方法研究[D].上海:上海海事大學,2012.

[21] 王述彥,師 宇,馮忠緒.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].機械科學與技術,2011,30(1):166-172.

編輯 索書志

Straight Line Path Following of Unmanned Surface Vessel Based on Fuzzy PID

YANG Zhao,WANG Jian-hua,WU Yu-ping
(Key Laboratory of Marine Technology and Control Engineering,Ministry of Communications, Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

In order to avoid the big gyration that may occur when the PID controller is used to the Unmanned Surface Vessel(USV),a straight line path following control method based on fuzzy PID is presented.Using the angle deviation between course angle and the straight line as well as the distance deviation between the USV and the path as input,the fuzzy algorithm is used to adjust the PID parameters dynamically,and the PID controller outputs the control voltage of the motors driving the propellers,so that the USV can track the straight line.Simulation results show that the proposed method can avoid the big gyration that appears when PID controller is used at large initial deviation of course angle.In comparison with PID controller,the fuzzy PID has better performance in overshoot and regulation time at small initial angle deviations.

Unmanned Surface Vessel(USV);straight line path following;fuzzy inference;PID controller;distance deviation;angle deviation

1000-3428(2014)10-0270-05

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.10.050

上海市科技攻關計劃基金資助項目(11dz1205600);上海市教委科研創新計劃基金資助項目(14YZ104)。

楊 釗(1989-),男,碩士研究生,主研方向:船舶與港口自動化技術;王建華,副教授、博士;吳玉平,碩士研究生。

2013-09-26

2013-11-25E-mail:zhaoyang0373@gmail.com

中文引用格式:楊 釗,王建華,吳玉平.基于模糊PID的無人水面艇直線路徑跟蹤[J].計算機工程,2014, 40(10):270-274,280.

英文引用格式:Yang Zhao,Wang Jianhua,Wu Yuping.Straight Line Path Following of Unmanned Surface Vessel Based on Fuzzy PID[J].Computer Engineering,2014,40(10):270-274,280.