無人艇航向控制策略綜述

江漢大學智能制造學院 羅志剛 葉 曦 錢同惠

江漢大學人工智能學院 黃佳慧

隨著無人駕駛技術快速發展，無人水面艇近年來受到越來越多國內外專家學者的關注，無人艇在在軍事偵察、水域監測和代替人工執行特殊任務等方面有重要應用，因此引起全球各國的普遍重視。無人艇行進中受干擾因素較多，極易受到風、浪、流等外部因素的影響，研究無人艇的航向保持和跟蹤問題是目前的重點與難點，是研究無人艇航跡跟蹤、自動避障、多艇協同等關鍵技術問題的基礎。本文著重對無人艇航向控制近五年來的研究成果進行分析與歸類，總結國內外專家學者在無人艇航向控制方面取得的進展，以及各類研究方法的主要研究成果及其主要特點，并分析其存在的主要問題，最后對無人艇航向控制的未來發展進行了展望。

隨著人工智能、信息技術的高速發展，無人駕駛領域的研究已逐步走向成熟，并展現出巨大的應用前景。在無人駕駛領域，主要包括無人機、無人車、無人艇（unmanned surface vessel,USV）等，相較于無人機和無人車，無人艇的研究還處于探索階段。無人艇作為一種具有自主規劃、自主航向能力，并可自主完成環境監測、目標檢測及警戒巡邏等作業任務的小型水面平臺，具備著小型輕便、隱蔽性好、生存能力強、成本低可集群使用、模塊化和無人員傷亡等特點。在無人艇的研發和使用領域中，美國和以色列一直處于領先地位，并且多用于反水雷作戰、反潛艇作戰、支持海上攔截作戰等軍事用途。中國USV研究雖起步較晚，但技術進步迅速，業已走向世界前列。2020年，央視公布了共計56艘中國軍民兩用無人艇組成“鯊群”協同演練的宏大場面，這標志著中國海上無人系統的發展達到了新高度，將在各種常規作戰、非常規作戰領域得到廣泛地應用。

在復雜多變的水域環境中，無人艇在水面運行時，無人艇的運動是非線性的，所受干擾具有不確定性。由此無人艇航向控制技術顯得尤為重要，無人艇航向控制最主要是對無人艇舵機進行控制，當實際航向與給定航向發生偏差時，無人艇會根據航向控制器算法反饋舵角指令通過伺服機構控制舵機工作，操作無人艇調整舵角，進而達到控制無人艇航向的目的。控制原理圖如圖1所示，該系統為雙反饋閉環穩定系統，外部的閉環是航向比較環節，通過實際航向與給定航向進行對比得出航向偏差量，進而反饋給航向控制器部分，通過航向控制器算法計算出舵角偏移量，然后傳遞給伺服機構控制舵角偏移。內部的閉環是舵角比較環節，通過給定實際舵角值與給定舵角值進行比較，通過舵角反饋裝置控制伺服機構繼續工作，直到實際舵角值與給定舵角值無偏差，此時外部的實際航向與給定航向的偏差量為零，則該無人艇航向控制系統處于平衡狀態。

圖1 無人艇航向控制系統原理圖

由于存在風、浪、流等復雜的環境干擾因素，并且隨著航速的變化，系統存在著較強的不確定性和時變性。為了解決無人艇航向偏離的問題，實現無人艇自主性、穩定性的航向控制顯得尤為重要。下面對國內外在無人艇航向控制研究現狀進行綜述和分析。

1 無人艇的航向控制策略

在無人艇的運動控制中，航向控制是該領域的熱點，最早關于無人艇航向控制，應用最廣泛的是Minorsky提出的PID控制器，但由于單一的PID控制效果較差，無法滿足無人艇在復雜環境中的應用需求，因此研究更為智能的無人艇航向控制算法是科技發展的需求。目前無人艇航向控制方法主要包括改進后的PID控制、模糊自適應控制技術以及模糊控制結合神經網絡、支持向量機、遺傳算法、Lyapunov直接法控制器等多種智能控制技術。并且隨著計算機技術的發展，很多改進后的智能算法已經得到推廣，并在特定的場景下都發揮著優越的控制效果。

1.1 智能PID航向控制策略

楊俊成等基于改進粒子群控制算法，同時結合PID自適應控制技術，設計和開發了USV的航向穩定性控制系統，提高了無人艇航向控制的穩定性、魯棒性和精確性。Fan提出了一種模糊自適應PID無人艇航向控制算法，給出了模糊參數調節規則，實現了控制器參數的在線調節和跟蹤控制，不足之處是要在復雜度和逼近精度之間進行折中。王亮等為了解決非線性無人艇動力學模型在航向控制時PID控制參數整定的問題，提出了基于非線性模型和遺傳算法尋優的無人艇航向PID控制算法，對無人艇操舵平穩，舵角輸出未發生振蕩有一定改善。詹勇將模糊支持向量機引入到無人艇的航向控制中，針對非線性PID的不足，通過采集無無人艇航行過程中的大量數據進行訓練，并且考慮到模糊支持向量機在參數尋優和模型過大方面的缺陷，采用了粒子群算法和權重剪枝算法對其改進，以此提升了系統運行時間和減小模型大小。周健等將RBF（radical basis function）神經網絡與PID算法相結合，利用RBF神經網絡的自學習能力實現對PID控制器參數的整定，結果表明基于RBF-PID算法的無人艇航向控制器的超調量為零、穩態時間最短，同時能夠及時有效地糾正隨機擾動的影響，保障無人艇的航向穩定性。仲偉波等針對雙向驅動無人艇的航向控制，對比分析了單航向PID控制方法和航向、轉向速度雙PID控制方法，結果表明航向、轉向角速度雙PID控制方法在雙槳驅動無人艇運動控制中具有良好的可靠性和穩定性。趙東明等針對常規PID控制器在無人艇航向控制系統中表現出抗干擾能力弱、控制精度低等問題，提出了一種應用模糊神經網絡算法的航向控制器設計方法，改善了航向控制的控制精度和魯棒性，提高了無人艇在復雜環境中的適應能力。譚西都針對PID航向控制器存在的不足，提出了基于航速與拋筒狀態變化的自整定PD控制器和基于角速度閉環的自整定PID控制器，結合兩者的優勢融合出一種綜合航向控制器。張金越研究實現了無人艇變論域模糊自整定PID航向控制算法，對傳統PID航向控制算法、模糊自整定PID航向控制算法和變論域模糊自整定PID航向控制算法進行比較，結果表明變論域自整定PID航向控制算法較其它兩種控制算法的航向控制性能最佳。

1.2 非線性優化航向控制策略

李小毛等提出了一種基于常增益濾波器的無人艇航向角濾波處理方法，解決了濾波中過程噪聲估計、運動建模和航向角邊界不連續的問題，使得航向角抖動嚴重難以控制的問題得到改善。白一鳴等針對無人艇航行中的動態環境特征，提出了一種基于動態面控制技術的高效控制算法，引入動態面控制技術來解決控制系統的非線性特性，以確保系統的全局穩定性，達到精確的航向控制效果。龔波等設計了一種基于P系統的航線非線性控制器，并在P系統的基礎上設計了粒子群優化細胞型膜算法，避免粒子群算法容易陷入局部最優的問題，該方法較之傳統PID控制方法具有抗干擾能力強、響應速度快、超調量小的特點。左旋針對線性Nomoto船舶運動模型，運用動態矩陣控制（Dynamic Matrix Control,DMC）來實現無人艇航向的控制，動態矩陣控制較之傳統PID超調少，控制具有更好的魯棒性。胡俊祥等引入了線性自抗擾控制，比較得出線性自抗擾控制器比傳統的自抗擾控制器，系統需要整定的參數大大減少，且系統的動態性能與靜態性能幾乎一致。溫景松針對風、浪、流干擾導致航向控制精度下降的問題，提出無人艇航向控制系統中引入自抗擾(ADRC)控制，自抗擾控制器較PID控制器在航向保持方面具有較強的穩定性，航向變更超調量較小。陳麗麗等針對航向控制過程中存在的網絡時延以及數據丟包等網絡影響導致航向控制系統穩定性降低，提出了一種無人艇航向控制準則，采用Lyapunov穩定性原理和凸分析方法，對能使網絡環境下基于觀測器的無人水面艇航向控制系統漸進穩定的控制準則進行推導，實驗結果表明所提出方法以及設計的控制器、觀測器具有較好的性能。包濤基于改進了趨化、游動和遷徙操作的細菌覓食算法和廣義動態模糊神經網絡并結合無人艇參考模型設計了一種魯棒自適應模糊神經網絡控制器用于無人艇的航向控制，之后使用Lyapunov穩定性理論證明了控制器的穩定性。Kim將遺傳算法引入到航向控制中，利用遺傳算法優化有環境干擾情況下無人艇的航向控制問題，包括到達目標點和最小化航向時間。

滑模控制具有較強的魯棒性，對于經典的滑模控制而言，ZAK.M提出了終端吸引子的概念，MAN.Z.H在此基礎上發展出終端滑模控制方法。Edoardo采用非線性比例導數的反推滑模反饋控制器來控制無人艇的航向問題，然而僅僅考慮到了風對無人艇的影響，忽略了浪和流對無人艇航向控制的影響伊戈等出了一種改進的終端滑模控制方法，解決了傳統滑模控制狀態跟蹤誤差不會在有限時間內收斂為零的問題，并且具備更好的魯棒性。張晨等針對傳統滑模控制方法和傳統滑模趨近律在噴水推進型水面無人艇的航線控制中存在收斂速度慢、耗時長和抖振嚴重等缺點，提出了一種基于新型冪次趨近律的終端滑膜控制方法，結合終端滑模控制理論和新型趨近律的思想設計了新型Terminal滑模控制器，仿真結果表明，設計的新控制器與傳統冪次趨近律、指數趨近律相比，具有更快的收斂速度和更好地運動品質。武穎等針對欠驅動水面無人艇航向運動提出了一種優化的反演滑模控制方法，提高無人艇航向控制系統的穩定性。慕東東等提出了一種具有較快收斂速度的快速非奇異終端滑膜（Fast Non Singular Terminal Sliding Mode,FNTSM）航向保持策略，達到了在干擾較小的情況下有著較快的收斂速度和較強的魯棒性。于樂等圍繞前驅動運動系統的航向控制展開研究，分別基于反步法和反步自適應滑膜設計航向控制器，分析表明后者具有航向追蹤能力快、且合力矩幅度變化小，能耗小。

2 結語

在無人水面艇航向控制方面，單一的控制技術難以適用于復雜的水域環境，將多種智能控制技術和智能算法融合起來設計的無人艇航向控制器才能保證在不同的場景下都發揮著優越的控制效果，這也是未來無人艇航向控制研究的發展方向。