(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

引言

虛擬錨泊浮標(biāo)是一種結(jié)合傳統(tǒng)錨定浮標(biāo)和波浪能滑翔器的新型海上觀測平臺，主要包括：水面浮標(biāo)、鎧裝纜和牽引機(jī)。目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于虛擬錨泊浮標(biāo)的相關(guān)文獻(xiàn)。傳統(tǒng)錨定浮標(biāo)不能自主走航，其定位精度不高，不適用于深遠(yuǎn)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(nèi)研究主要是采用PID算法與其它算法相結(jié)合的導(dǎo)航算法[1]。

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

一、運(yùn)動模型

盧旭利用Fossen矩陣對波浪能滑翔器建立的運(yùn)動模型沒有考慮升沉自由度[2]，而虛擬錨泊浮標(biāo)由波浪能驅(qū)動，其升沉自由度必不可少。因此，建立虛擬錨泊浮標(biāo)四自由度運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，其運(yùn)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(biāo)系下x、y、z方向上的位移，xi(k)為虛擬錨泊浮標(biāo)航向角，xi(k)為浮標(biāo)縱蕩速度，xi(k)為浮標(biāo)的橫蕩速度，xi(k)為浮標(biāo)升沉速度，xi(k)為浮標(biāo)艏搖角速度；m11、m22、m33、m44為質(zhì)量慣性參數(shù)；d11、d22、d33、d44為水阻力(矩)參數(shù)；T1為水翼產(chǎn)生的縱向推力，xi(k)為波浪和重力對虛擬錨泊浮標(biāo)在垂直方向上的合力，T4為尾舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(shè)計

(一)高斯大地線主題反解算法

大地主題反解是指根據(jù)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(biāo)所在坐標(biāo)的經(jīng)緯度，通過大地主題反解算法去求得所需的導(dǎo)航數(shù)據(jù)(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(diào)整自身航向，以期望達(dá)到自身航向和虛擬錨泊浮標(biāo)當(dāng)前位置與目標(biāo)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(biāo)錨泊點運(yùn)動過程中，虛擬錨泊浮標(biāo)每次采集到GPS點，進(jìn)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(biāo)錨泊點之間的方位角，判斷虛擬錨泊浮標(biāo)是否達(dá)到指定的錨泊點。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定錨泊點誤差圓范圍內(nèi)，進(jìn)行虛擬錨泊控制，未達(dá)到指定錨泊點誤差范圍內(nèi)，重新進(jìn)行航向校正。

(三)改進(jìn)單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器是通過對加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實現(xiàn)的。在大量的實際，應(yīng)用中，通過實踐表明，PID參數(shù)的在線學(xué)習(xí)修正主要與e(k)和△e(k)有關(guān)?；诖丝蓪紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制算法中的加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)修正部分進(jìn)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(shè)計

錨泊點切換控制是指虛擬錨泊浮標(biāo)為了執(zhí)行新任務(wù)從一個錨泊點到另一個錨泊點進(jìn)行位置切換的控制，主要功能是進(jìn)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(dāng)前位置信息，通過羅盤采集虛擬錨泊浮標(biāo)當(dāng)前航向角。當(dāng)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(dāng)前航向會存在一定的偏差，即航向差?？刂葡到y(tǒng)檢測到該差值后，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法計算出恢復(fù)到期望航向所需的舵機(jī)轉(zhuǎn)角的變化量，即舵角增量。當(dāng)舵角增量在[-5°,5°]范圍內(nèi)時，控制系統(tǒng)不對虛擬錨泊浮標(biāo)的舵機(jī)執(zhí)行任何動作，稱之為放空，這是一種放空節(jié)能策略。當(dāng)舵角增量大于5°或小于-5°時，根據(jù)當(dāng)前舵角算出打舵角度，虛擬錨泊浮標(biāo)執(zhí)行打舵動作。執(zhí)行打舵動作之后，虛擬錨泊浮標(biāo)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(dāng)前位置信息和當(dāng)前航向，與預(yù)設(shè)錨泊點信息和期望航向進(jìn)行對比判斷，如果到達(dá)預(yù)設(shè)錨泊點，停止錨泊點切換算法，沒有達(dá)到，重復(fù)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(biāo)樣機(jī)為對象，在三級海況(波高1m，周期4s)下，分別利用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID錨泊點切換控制器與增量式PID錨泊點切換控制器進(jìn)行仿真實驗。

設(shè)置錨泊點1坐標(biāo)為(0,0)和錨泊點2坐標(biāo)為(60,60)，虛擬錨泊浮標(biāo)初始艏搖角設(shè)定為0°。兩次仿真過程中，虛擬錨泊浮標(biāo)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(jìn)單神經(jīng)元PID控制器比增量式PID控制器具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。

圖1 虛擬錨泊浮標(biāo)軌跡變化

圖2 虛擬錨泊浮標(biāo)航向變化

四、結(jié)語

本文利用Fossen矩陣建立了虛擬錨泊浮標(biāo)四自由度運(yùn)動模型，通過高斯大地主題反解視向跟蹤算法得出期望導(dǎo)航數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，實現(xiàn)了虛擬錨泊浮標(biāo)在錨泊點之間進(jìn)行位置切換的控制。通過仿真分析，結(jié)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(xiàn)】

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

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

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