改進單神經元自適應PID錨泊點切換控制器設計

(天津工業(yè)大學 機械工程學院 天津 300387)

引言

虛擬錨泊浮標是一種結合傳統(tǒng)錨定浮標和波浪能滑翔器的新型海上觀測平臺，主要包括：水面浮標、鎧裝纜和牽引機。目前國內外還沒有關于虛擬錨泊浮標的相關文獻。傳統(tǒng)錨定浮標不能自主走航，其定位精度不高，不適用于深遠海。波浪能滑翔器的研究取得初步成果，但國外對于波浪能滑翔器控制策略鮮有提及，國內研究主要是采用PID算法與其它算法相結合的導航算法[1]。

本文設計了一種改進單神經元自適應PID錨泊點切換控制器，實現(xiàn)了虛擬錨泊浮標在錨泊點之間的位置切換，具有較強的穩(wěn)定性與魯棒性。

一、運動模型

盧旭利用Fossen矩陣對波浪能滑翔器建立的運動模型沒有考慮升沉自由度[2]，而虛擬錨泊浮標由波浪能驅動，其升沉自由度必不可少。因此，建立虛擬錨泊浮標四自由度運動學和動力學模型，其運動方程組可以表示為：

(1)

其中，xi(k)、xi(k)、xi(k)分別為在大地坐標系下x、y、z方向上的位移，xi(k)為虛擬錨泊浮標航向角，xi(k)為浮標縱蕩速度，xi(k)為浮標的橫蕩速度，xi(k)為浮標升沉速度，xi(k)為浮標艏搖角速度；m11、m22、m33、m44為質量慣性參數(shù)；d11、d22、d33、d44為水阻力(矩)參數(shù)；T1為水翼產生的縱向推力，xi(k)為波浪和重力對虛擬錨泊浮標在垂直方向上的合力，T4為尾舵產生的轉向力矩，xi(k)和xi(k)為水翼和尾舵的水動力(矩)參數(shù)，xi(k)為舵角。

二、錨泊點切換控制器設計

(一)高斯大地線主題反解算法

大地主題反解是指根據已知的大地元素去求解其他大地元素的過程。本文通過GPS可以得到虛擬錨泊浮標所在坐標的經緯度，通過大地主題反解算法去求得所需的導航數(shù)據(兩點之間的大地線距離和方位角)[3]。

(二)視向跟蹤算法

視向跟蹤算法是指只周期性的調整自身航向，以期望達到自身航向和虛擬錨泊浮標當前位置與目標錨泊點之間連線的方位角一致。具體算法過程為：在朝著目標錨泊點運動過程中，虛擬錨泊浮標每次采集到GPS點，進行重新定位并通過高斯大地線主題反解算法計算高斯大地線距離以及自身GPS點與目標錨泊點之間的方位角，判斷虛擬錨泊浮標是否達到指定的錨泊點。當?shù)竭_指定錨泊點誤差圓范圍內，進行虛擬錨泊控制，未達到指定錨泊點誤差范圍內，重新進行航向校正。

(三)改進單神經元PID控制器設計

單神經元自適應PID控制器是通過對加權系數(shù)的調整來實現(xiàn)自適應、自組織功能，權系數(shù)的調整是按有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則實現(xiàn)的。在大量的實際，應用中，通過實踐表明，PID參數(shù)的在線學習修正主要與e(k)和△e(k)有關。基于此可將單神經元自適應PID控制算法中的加權系數(shù)學習修正部分進行修改，即將其中的xi(k)改為e(k)+Δe(k)。

(四)錨泊點切換控制設計

錨泊點切換控制是指虛擬錨泊浮標為了執(zhí)行新任務從一個錨泊點到另一個錨泊點進行位置切換的控制，主要功能是進行短距離錨泊點之間位置切換。具體可以描述為：通過GPS獲得當前位置信息，通過羅盤采集虛擬錨泊浮標當前航向角。當前位置信息通過高斯大地主題反解視向跟蹤算法計算出到下一個錨泊點的距離與期望航向角，期望航向與當前航向會存在一定的偏差，即航向差。控制系統(tǒng)檢測到該差值后，采用改進單神經元自適應PID算法計算出恢復到期望航向所需的舵機轉角的變化量，即舵角增量。當舵角增量在[-5°,5°]范圍內時，控制系統(tǒng)不對虛擬錨泊浮標的舵機執(zhí)行任何動作，稱之為放空，這是一種放空節(jié)能策略。當舵角增量大于5°或小于-5°時，根據當前舵角算出打舵角度，虛擬錨泊浮標執(zhí)行打舵動作。執(zhí)行打舵動作之后，虛擬錨泊浮標航行軌跡就會朝期望航向偏移。此時，再通過GPS和羅盤采集當前位置信息和當前航向，與預設錨泊點信息和期望航向進行對比判斷，如果到達預設錨泊點，停止錨泊點切換算法，沒有達到，重復之前的控制、執(zhí)行和再判斷過程。

三、仿真分析

以虛擬錨泊浮標樣機為對象，在三級海況(波高1m，周期4s)下，分別利用改進單神經元自適應PID錨泊點切換控制器與增量式PID錨泊點切換控制器進行仿真實驗。

設置錨泊點1坐標為(0,0)和錨泊點2坐標為(60,60)，虛擬錨泊浮標初始艏搖角設定為0°。兩次仿真過程中，虛擬錨泊浮標視向跟蹤軌跡變化如圖1所示，航向變化如圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出改進單神經元PID控制器比增量式PID控制器具有更強的調節(jié)能力。

圖1 虛擬錨泊浮標軌跡變化

圖2 虛擬錨泊浮標航向變化

四、結語

本文利用Fossen矩陣建立了虛擬錨泊浮標四自由度運動模型，通過高斯大地主題反解視向跟蹤算法得出期望導航數(shù)據，采用改進單神經元自適應PID控制器，實現(xiàn)了虛擬錨泊浮標在錨泊點之間進行位置切換的控制。通過仿真分析，結果表明所提出的控制器具有很好的錨泊點切換功能。

【參考文獻】

[1]廖煜雷,李曄,劉濤,等.波浪滑翔器技術的回顧與展望[J].哈爾濱工程大學學報,2016,37(9):1227-1236.

[2]盧旭.波浪滑翔器總體技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2015.

[3]趙長勝.高斯平均引數(shù)計算大地坐標主題反解的迭代算法[J].測繪通報,2004,(10):11-12.