江漢大學(xué)智能制造學(xué)院 羅志剛 葉 曦 錢同惠

江漢大學(xué)人工智能學(xué)院 黃佳慧

隨著無(wú)人駕駛技術(shù)快速發(fā)展，無(wú)人水面艇近年來(lái)受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，無(wú)人艇在在軍事偵察、水域監(jiān)測(cè)和代替人工執(zhí)行特殊任務(wù)等方面有重要應(yīng)用，因此引起全球各國(guó)的普遍重視。無(wú)人艇行進(jìn)中受干擾因素較多，極易受到風(fēng)、浪、流等外部因素的影響，研究無(wú)人艇的航向保持和跟蹤問(wèn)題是目前的重點(diǎn)與難點(diǎn)，是研究無(wú)人艇航跡跟蹤、自動(dòng)避障、多艇協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)。本文著重對(duì)無(wú)人艇航向控制近五年來(lái)的研究成果進(jìn)行分析與歸類，總結(jié)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在無(wú)人艇航向控制方面取得的進(jìn)展，以及各類研究方法的主要研究成果及其主要特點(diǎn)，并分析其存在的主要問(wèn)題，最后對(duì)無(wú)人艇航向控制的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

隨著人工智能、信息技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)人駕駛領(lǐng)域的研究已逐步走向成熟，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，主要包括無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、無(wú)人艇（unmanned surface vessel,USV）等，相較于無(wú)人機(jī)和無(wú)人車，無(wú)人艇的研究還處于探索階段。無(wú)人艇作為一種具有自主規(guī)劃、自主航向能力，并可自主完成環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)及警戒巡邏等作業(yè)任務(wù)的小型水面平臺(tái)，具備著小型輕便、隱蔽性好、生存能力強(qiáng)、成本低可集群使用、模塊化和無(wú)人員傷亡等特點(diǎn)。在無(wú)人艇的研發(fā)和使用領(lǐng)域中，美國(guó)和以色列一直處于領(lǐng)先地位，并且多用于反水雷作戰(zhàn)、反潛艇作戰(zhàn)、支持海上攔截作戰(zhàn)等軍事用途。中國(guó)USV研究雖起步較晚，但技術(shù)進(jìn)步迅速，業(yè)已走向世界前列。2020年，央視公布了共計(jì)56艘中國(guó)軍民兩用無(wú)人艇組成“鯊群”協(xié)同演練的宏大場(chǎng)面，這標(biāo)志著中國(guó)海上無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展達(dá)到了新高度，將在各種常規(guī)作戰(zhàn)、非常規(guī)作戰(zhàn)領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用。

在復(fù)雜多變的水域環(huán)境中，無(wú)人艇在水面運(yùn)行時(shí)，無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)是非線性的，所受干擾具有不確定性。由此無(wú)人艇航向控制技術(shù)顯得尤為重要，無(wú)人艇航向控制最主要是對(duì)無(wú)人艇舵機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)實(shí)際航向與給定航向發(fā)生偏差時(shí)，無(wú)人艇會(huì)根據(jù)航向控制器算法反饋舵角指令通過(guò)伺服機(jī)構(gòu)控制舵機(jī)工作，操作無(wú)人艇調(diào)整舵角，進(jìn)而達(dá)到控制無(wú)人艇航向的目的?？刂圃韴D如圖1所示，該系統(tǒng)為雙反饋閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)，外部的閉環(huán)是航向比較環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)際航向與給定航向進(jìn)行對(duì)比得出航向偏差量，進(jìn)而反饋給航向控制器部分，通過(guò)航向控制器算法計(jì)算出舵角偏移量，然后傳遞給伺服機(jī)構(gòu)控制舵角偏移。內(nèi)部的閉環(huán)是舵角比較環(huán)節(jié)，通過(guò)給定實(shí)際舵角值與給定舵角值進(jìn)行比較，通過(guò)舵角反饋裝置控制伺服機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作，直到實(shí)際舵角值與給定舵角值無(wú)偏差，此時(shí)外部的實(shí)際航向與給定航向的偏差量為零，則該無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

圖1 無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)原理圖

由于存在風(fēng)、浪、流等復(fù)雜的環(huán)境干擾因素，并且隨著航速的變化，系統(tǒng)存在著較強(qiáng)的不確定性和時(shí)變性。為了解決無(wú)人艇航向偏離的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇自主性、穩(wěn)定性的航向控制顯得尤為重要。下面對(duì)國(guó)內(nèi)外在無(wú)人艇航向控制研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析。

1 無(wú)人艇的航向控制策略

在無(wú)人艇的運(yùn)動(dòng)控制中，航向控制是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)，最早關(guān)于無(wú)人艇航向控制，應(yīng)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(wú)法滿足無(wú)人艇在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用需求，因此研究更為智能的無(wú)人艇航向控制算法是科技發(fā)展的需求。目前無(wú)人艇航向控制方法主要包括改進(jìn)后的PID控制、模糊自適應(yīng)控制技術(shù)以及模糊控制結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、遺傳算法、Lyapunov直接法控制器等多種智能控制技術(shù)。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，很多改進(jìn)后的智能算法已經(jīng)得到推廣，并在特定的場(chǎng)景下都發(fā)揮著優(yōu)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(jìn)粒子群控制算法，同時(shí)結(jié)合PID自適應(yīng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了USV的航向穩(wěn)定性控制系統(tǒng)，提高了無(wú)人艇航向控制的穩(wěn)定性、魯棒性和精確性。Fan提出了一種模糊自適應(yīng)PID無(wú)人艇航向控制算法，給出了模糊參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了控制器參數(shù)的在線調(diào)節(jié)和跟蹤控制，不足之處是要在復(fù)雜度和逼近精度之間進(jìn)行折中。王亮等為了解決非線性無(wú)人艇動(dòng)力學(xué)模型在航向控制時(shí)PID控制參數(shù)整定的問(wèn)題，提出了基于非線性模型和遺傳算法尋優(yōu)的無(wú)人艇航向PID控制算法，對(duì)無(wú)人艇操舵平穩(wěn)，舵角輸出未發(fā)生振蕩有一定改善。詹勇將模糊支持向量機(jī)引入到無(wú)人艇的航向控制中，針對(duì)非線性PID的不足，通過(guò)采集無(wú)無(wú)人艇航行過(guò)程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且考慮到模糊支持向量機(jī)在參數(shù)尋優(yōu)和模型過(guò)大方面的缺陷，采用了粒子群算法和權(quán)重剪枝算法對(duì)其改進(jìn)，以此提升了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間和減小模型大小。周健等將RBF（radical basis function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID算法相結(jié)合，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器參數(shù)的整定，結(jié)果表明基于RBF-PID算法的無(wú)人艇航向控制器的超調(diào)量為零、穩(wěn)態(tài)時(shí)間最短，同時(shí)能夠及時(shí)有效地糾正隨機(jī)擾動(dòng)的影響，保障無(wú)人艇的航向穩(wěn)定性。仲偉波等針對(duì)雙向驅(qū)動(dòng)無(wú)人艇的航向控制，對(duì)比分析了單航向PID控制方法和航向、轉(zhuǎn)向速度雙PID控制方法，結(jié)果表明航向、轉(zhuǎn)向角速度雙PID控制方法在雙槳驅(qū)動(dòng)無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制中具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。趙東明等針對(duì)常規(guī)PID控制器在無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)中表現(xiàn)出抗干擾能力弱、控制精度低等問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的航向控制器設(shè)計(jì)方法，改善了航向控制的控制精度和魯棒性，提高了無(wú)人艇在復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)能力。譚西都針對(duì)PID航向控制器存在的不足，提出了基于航速與拋筒狀態(tài)變化的自整定PD控制器和基于角速度閉環(huán)的自整定PID控制器，結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)融合出一種綜合航向控制器。張金越研究實(shí)現(xiàn)了無(wú)人艇變論域模糊自整定PID航向控制算法，對(duì)傳統(tǒng)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(jìn)行比較，結(jié)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(yōu)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(wú)人艇航向角濾波處理方法，解決了濾波中過(guò)程噪聲估計(jì)、運(yùn)動(dòng)建模和航向角邊界不連續(xù)的問(wèn)題，使得航向角抖動(dòng)嚴(yán)重難以控制的問(wèn)題得到改善。白一鳴等針對(duì)無(wú)人艇航行中的動(dòng)態(tài)環(huán)境特征，提出了一種基于動(dòng)態(tài)面控制技術(shù)的高效控制算法，引入動(dòng)態(tài)面控制技術(shù)來(lái)解決控制系統(tǒng)的非線性特性，以確保系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，達(dá)到精確的航向控制效果。龔波等設(shè)計(jì)了一種基于P系統(tǒng)的航線非線性控制器，并在P系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了粒子群優(yōu)化細(xì)胞型膜算法，避免粒子群算法容易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題，該方法較之傳統(tǒng)PID控制方法具有抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、超調(diào)量小的特點(diǎn)。左旋針對(duì)線性Nomoto船舶運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)用動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control,DMC）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇航向的控制，動(dòng)態(tài)矩陣控制較之傳統(tǒng)PID超調(diào)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(tǒng)的自抗擾控制器，系統(tǒng)需要整定的參數(shù)大大減少，且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與靜態(tài)性能幾乎一致。溫景松針對(duì)風(fēng)、浪、流干擾導(dǎo)致航向控制精度下降的問(wèn)題，提出無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)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(qiáng)的穩(wěn)定性，航向變更超調(diào)量較小。陳麗麗等針對(duì)航向控制過(guò)程中存在的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及數(shù)據(jù)丟包等網(wǎng)絡(luò)影響導(dǎo)致航向控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，提出了一種無(wú)人艇航向控制準(zhǔn)則，采用Lyapunov穩(wěn)定性原理和凸分析方法，對(duì)能使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于觀測(cè)器的無(wú)人水面艇航向控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制準(zhǔn)則進(jìn)行推導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出方法以及設(shè)計(jì)的控制器、觀測(cè)器具有較好的性能。包濤基于改進(jìn)了趨化、游動(dòng)和遷徙操作的細(xì)菌覓食算法和廣義動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合無(wú)人艇參考模型設(shè)計(jì)了一種魯棒自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用于無(wú)人艇的航向控制，之后使用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了控制器的穩(wěn)定性。Kim將遺傳算法引入到航向控制中，利用遺傳算法優(yōu)化有環(huán)境干擾情況下無(wú)人艇的航向控制問(wèn)題，包括到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)和最小化航向時(shí)間。

滑?？刂凭哂休^強(qiáng)的魯棒性，對(duì)于經(jīng)典的滑?？刂贫?，ZAK.M提出了終端吸引子的概念，MAN.Z.H在此基礎(chǔ)上發(fā)展出終端滑?？刂品椒ādoardo采用非線性比例導(dǎo)數(shù)的反推滑模反饋控制器來(lái)控制無(wú)人艇的航向問(wèn)題，然而僅僅考慮到了風(fēng)對(duì)無(wú)人艇的影響，忽略了浪和流對(duì)無(wú)人艇航向控制的影響伊戈等出了一種改進(jìn)的終端滑?？刂品椒ǎ鉀Q了傳統(tǒng)滑模控制狀態(tài)跟蹤誤差不會(huì)在有限時(shí)間內(nèi)收斂為零的問(wèn)題，并且具備更好的魯棒性。張晨等針對(duì)傳統(tǒng)滑?？刂品椒ê蛡鹘y(tǒng)滑模趨近律在噴水推進(jìn)型水面無(wú)人艇的航線控制中存在收斂速度慢、耗時(shí)長(zhǎng)和抖振嚴(yán)重等缺點(diǎn)，提出了一種基于新型冪次趨近律的終端滑膜控制方法，結(jié)合終端滑?？刂评碚摵托滦挖吔傻乃枷朐O(shè)計(jì)了新型Terminal滑?？刂破鳎抡娼Y(jié)果表明，設(shè)計(jì)的新控制器與傳統(tǒng)冪次趨近律、指數(shù)趨近律相比，具有更快的收斂速度和更好地運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。武穎等針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)水面無(wú)人艇航向運(yùn)動(dòng)提出了一種優(yōu)化的反演滑?？刂品椒?，提高無(wú)人艇航向控制系統(tǒng)的穩(wěn)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(dá)到了在干擾較小的情況下有著較快的收斂速度和較強(qiáng)的魯棒性。于樂(lè)等圍繞前驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的航向控制展開(kāi)研究，分別基于反步法和反步自適應(yīng)滑膜設(shè)計(jì)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(jié)語(yǔ)

在無(wú)人水面艇航向控制方面，單一的控制技術(shù)難以適用于復(fù)雜的水域環(huán)境，將多種智能控制技術(shù)和智能算法融合起來(lái)設(shè)計(jì)的無(wú)人艇航向控制器才能保證在不同的場(chǎng)景下都發(fā)揮著優(yōu)越的控制效果，這也是未來(lái)無(wú)人艇航向控制研究的發(fā)展方向。