欠驅(qū)動(dòng)水面模型船航向保持控制仿真平臺(tái)

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(1.武漢理工大學(xué) ITS智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063； 2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063； 3.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063； 4.武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院， 武漢 430063)

欠驅(qū)動(dòng)水面模型船航向保持控制仿真平臺(tái)

柳晨光1,2,3,初秀民1,3,歐陽雪1,3,4,謝朔1,2,3

(1.武漢理工大學(xué)ITS智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢430063； 2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063； 3.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，武漢430063； 4.武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，武漢430063)

考慮到計(jì)算機(jī)仿真、半實(shí)物仿真及實(shí)船研究的不足，提出基于欠驅(qū)動(dòng)水面模型船的航向保持控制仿真平臺(tái)。該平臺(tái)由模型船、航向與航速感知系統(tǒng)、航向保持控制器及遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等4部分組成。介紹航向控制仿真平臺(tái)各部分的組成和相互關(guān)系，研究模型船航向與航速感知系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，分析航向保持控制器的工作原理，提出Nomoto響應(yīng)模型的參數(shù)辨識(shí)方法及基于PID的航向保持控制和航速保持方法。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，并分析模型參數(shù)辨識(shí)和航向保持結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明平臺(tái)能滿足航向保持控制研究需求。

船舶工程;航向保持；運(yùn)動(dòng)控制；模型船；參數(shù)辨識(shí)；仿真平臺(tái)

Abstract: Considering that the computer simulation, hardware-in-the-loop simulation or full scale ship are inconvenient or costly, a course keeping control simulation platform based on an underactuated surface model ship is proposed. This platform is composed of four parts: the model ship, the heading and speed perception system, the course keeping controller, and the remote control and monitoring system. The composition of each part and the relationship between these parts are set forth. The implementation of course and speed perception system is designed; the working principle of course keeping controller is analyzed; and the parameter identification of Nomoto response model and the PID-based course-speed keeping control stratages are put forward. The simulation platform is tested in the laboratory conditions. The test results of parameter identification and course keeping are analyzed, which shows that the platform can meet the requirements of course keeping control research.

Keywords: ship engineering; course keeping; motion control; model ship; parameter identification; simulation platform

為盡快到達(dá)目的港和減少燃油消耗，使船舶以一定的速度直線航行是航向保持控制領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容之一。[1-2]由于船舶運(yùn)動(dòng)具有大慣性、大時(shí)滯和非線性等特性，運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)又與航行工況(包括載重量、航速及船型等)密切相關(guān),目前自動(dòng)舵還很難實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，因此有必要進(jìn)一步研究船舶航向保持控制問題。[3]

考慮到成本和可控性等因素，常通過仿真來研究此類問題。航向保持控制仿真研究一般有計(jì)算機(jī)仿真、半實(shí)物仿真和模型船仿真等3種方式。

1)計(jì)算機(jī)仿真完全基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行，系統(tǒng)模型、輸入和輸出均由計(jì)算機(jī)生成。[4]

2)半實(shí)物仿真又稱硬件在回路仿真，在條件允許的情況下盡可能地在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，這樣更接近實(shí)際情況，得到的信息更確切。[5]但是,該方式仍無法避免某些數(shù)據(jù)需依靠計(jì)算機(jī)仿真來生成。

3)模型船仿真以與真實(shí)船的運(yùn)動(dòng)特性幾乎相同的模型船為對(duì)象來研究船舶運(yùn)動(dòng)控制等問題,仿真過程中所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器只需調(diào)整相應(yīng)參數(shù)即可應(yīng)用于真實(shí)船，可避免模型不匹配、控制實(shí)時(shí)性難以保證和魯棒性不強(qiáng)等問題。

考慮到目前絕大多數(shù)船舶沒有側(cè)推器，是以欠驅(qū)動(dòng)方式航行的，提出一種以航向保持控制為研究目標(biāo)、以欠驅(qū)動(dòng)水面模型船為研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)仿真平臺(tái)。首先對(duì)仿真平臺(tái)的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹;然后具體描述航向與航速感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法;接著從船舶運(yùn)動(dòng)模型建立、基于最小二乘法參數(shù)辨識(shí)方法、基于PID的航速保持和航向保持方法研究等方面分析航向保持控制器的實(shí)現(xiàn)過程;最后測(cè)試仿真平臺(tái)的性能，并分析試驗(yàn)結(jié)果。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

欠驅(qū)動(dòng)水面模型船航向保持控制仿真平臺(tái)由模型船、航向與航速感知系統(tǒng)、航向保持控制器及遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等4部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 欠驅(qū)動(dòng)水面模型船航向保持控制仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 模型船

模型船是該平臺(tái)的控制對(duì)象,裝有小型船載計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路板和傳感器等,其中:小型船載計(jì)算機(jī)是整個(gè)船舶運(yùn)動(dòng)控制的“指揮官”，航向保持控制器就運(yùn)行在該計(jì)算機(jī)上;驅(qū)動(dòng)電路板可通過串口與船載計(jì)算機(jī)通信，用于傳感器數(shù)據(jù)處理、指令解析和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(螺旋槳和舵機(jī))控制;傳感器主要包括光電編碼器、超聲波傳感器和無線通信模塊等。

1.2 航向與航速感知系統(tǒng)

該平臺(tái)是采用閉環(huán)控制策略進(jìn)行航向保持控制的，因此有必要實(shí)時(shí)獲取船舶航向；在控制過程中,為保持航速不變，有必要實(shí)時(shí)獲取船舶航速。該系統(tǒng)通過采用單目視覺定位方法為航向保持控制提供實(shí)時(shí)的航向和航速數(shù)據(jù)。

1.3 航向保持控制器

航向保持控制器接收到船舶航向與航速數(shù)據(jù)之后，根據(jù)航向保持控制算法計(jì)算得到舵角控制指令，進(jìn)而控制舵機(jī)執(zhí)行舵角操作；根據(jù)航速控制算法計(jì)算得到螺旋槳控制指令，進(jìn)而維持船舶航速不變。

1.4 遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

船舶航向保持控制過程中的航向、航速、舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)送至該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶航行狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及航向、舵角、螺旋槳轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，供后續(xù)研究分析使用。同時(shí)，遇到緊急情況時(shí)該系統(tǒng)可人工遠(yuǎn)程操控船舶，以保證其安全航行。該系統(tǒng)是基于WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通過Windows遠(yuǎn)程訪問實(shí)現(xiàn)模型船的控制和監(jiān)測(cè)的。

圖2為平臺(tái)各子系統(tǒng)的組成及相互間的關(guān)系。

圖2 平臺(tái)各子系統(tǒng)的組成及相互間的關(guān)系

2 航向與航速感知系統(tǒng)

感知航向和航速是進(jìn)行航向保持控制的基礎(chǔ)。由于模型船尺寸較小，因此為實(shí)現(xiàn)航向的精準(zhǔn)控制，對(duì)航向和航速的精度有較高的要求。需指出，船舶航向保持控制中的“航向”通常是指“艏向”。[6]在真實(shí)船舶中,常采用磁羅經(jīng)或陀螺羅經(jīng)來獲取實(shí)時(shí)航向，但磁羅經(jīng)易受外界磁力的干擾，陀螺羅經(jīng)易受航速、沖擊及電源不穩(wěn)等因素影響，因此不適合應(yīng)用在模型船上。在船舶航向保持控制過程中，應(yīng)盡量保持航速不變，但受風(fēng)、浪、流及操舵的影響，航速會(huì)發(fā)生變化，因此有必要實(shí)時(shí)獲取航速，將其作為反饋來保持航速基本不變。對(duì)于對(duì)航速精度要求較高的場(chǎng)合,常采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分定位及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航融合定位的方式獲取航速。但是，差分定位因成本較高、差分接收機(jī)質(zhì)量大而很難在模型船上使用。融合定位成本也較高，且定位誤差會(huì)積累，也不適用于模型船。[7-8]鑒于此，提出一種基于單目視覺的水面船舶航向與航速感知系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 航向與航速感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

不同于一般的單目視覺定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在實(shí)時(shí)獲取模型船的航向角和航速。單目視覺攝像機(jī)獲取船舶航向與航速的基本原理為：

1)根據(jù)標(biāo)志燈顏色特征、封閉輪廓面積特征及船舶航速特征分別識(shí)別船舶上的藍(lán)色和綠色標(biāo)志燈，得到2個(gè)標(biāo)志燈在圖像坐標(biāo)中的位置，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換分別確定2個(gè)標(biāo)志燈的真實(shí)位置;以2個(gè)標(biāo)志燈的中點(diǎn)作為船舶重心，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)船舶的位移計(jì)算出船舶航速。

2)由于2個(gè)標(biāo)志燈可分別進(jìn)行識(shí)別，因此綠色標(biāo)志燈指向藍(lán)色標(biāo)志燈的矢量與正北的夾角即為船舶航向角(0°～360°)。

3)獲取的航向與航速能通過WIFI實(shí)時(shí)發(fā)送至模型船主機(jī)，為模型船航向保持控制提供反饋。

4)航向與航速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)上，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫中。

3 航向保持控制器

該平臺(tái)的航向保持控制器通過控制舵角使船舶按照預(yù)設(shè)的航向航行;通過控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速使船舶航速保持不變;通過緊急避碰模塊防止船舶碰撞。船舶避碰是一個(gè)很復(fù)雜的過程，涉及障礙物感知、路徑規(guī)劃和航跡控制等。這里的緊急避碰僅指緊急情況下的應(yīng)急控制。航向保持控制的輸入為預(yù)設(shè)航向與航速，反饋輸入為實(shí)時(shí)航向與航速，輸出為舵角，控制模型為Nomoto一階線性模型。航向保持控制器工作原理見圖4。

航向保持控制器運(yùn)行于上位機(jī)，通過TCP/IP通信方式與航向與航速感知系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，通過串口通信方式與驅(qū)動(dòng)電路板通信；驅(qū)動(dòng)電路板可控制舵機(jī)和螺旋槳。航向保持控制器接收來自于航向與航速感知系統(tǒng)的模型船實(shí)時(shí)航向和航速，根據(jù)設(shè)定航向與感知航向的偏差，基于航向保持控制模型給出下一時(shí)刻舵角的輸出值；根據(jù)設(shè)定航速與感知航速的偏差，基于航速保持模型確定螺旋槳轉(zhuǎn)速的輸出值。舵角和螺旋槳轉(zhuǎn)速控制輸出值轉(zhuǎn)換為指令格式，并通過串口收發(fā)器發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路板;電路板上的微處理器對(duì)指令進(jìn)行解析，并控制舵機(jī)和螺旋槳。驅(qū)動(dòng)電路板上配置的光電編碼器和超聲波測(cè)距儀可分別測(cè)量螺旋槳的轉(zhuǎn)速及模型船與前后障礙物的距離，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為報(bào)文后通過電路板串口發(fā)送至上位機(jī);上位機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后為航速保持控制器和緊急避碰模塊提供數(shù)據(jù)支持。遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過TCP/IP遠(yuǎn)程訪問上位機(jī)，能獲取航向保持控制過程中的各種參數(shù)，并可在需要時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

圖4 航向保持控制器工作原理

為實(shí)現(xiàn)航速和航向的精確控制，有必要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行精確辨識(shí)，在獲取模型參數(shù)的基礎(chǔ)上完成航速保持和航向保持控制。

3.1 一階K-T模型

日本學(xué)者野本謙作基于船舶操縱線性方程，從控制工程的觀點(diǎn)研究船舶操縱性問題，建立船舶操縱響應(yīng)方程，提出表征船舶操縱性的指數(shù)。[9]艏搖響應(yīng)線性方程為

(1)

式(1)中:δ為操舵角;r為轉(zhuǎn)艏角速度;K,T1,T2,T3為操縱性指數(shù)。式(1)稱作二階線性K-T方程。此后野本謙作又提出,在操舵不是很頻繁的情況下,式(1)可用式(2)近似代替。

(2)

(3)

將式(3)轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)形式[10],可表示為

(4)

3.2 參數(shù)辨識(shí)

為確定該平臺(tái)模型船的航向運(yùn)動(dòng)特性，需確定式(4)中K和T的值。該仿真平臺(tái)采用最小二乘法對(duì)Nomoto一階K-T模型進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。參數(shù)辨識(shí)的流程為：

1)通過Z型試驗(yàn)獲取參數(shù)辨識(shí)所需的輸入、輸出數(shù)據(jù)；

2)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

3)利用最小二乘法辨識(shí)模型參數(shù)；

4)利用已辨識(shí)的K和T進(jìn)行操縱性預(yù)報(bào)，驗(yàn)證參數(shù)辨識(shí)的正確性。

3.3 航速保持

航速保持是指模型船航行過程中，在風(fēng)、浪、流及操舵的影響下，通過控制螺旋槳轉(zhuǎn)速來保持航速不變。該平臺(tái)采用PID方法建立航速保持模型，模型輸入為航速偏差，模型輸出為螺旋槳轉(zhuǎn)速增量。

3.4 航向保持控制

目前已有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、滑?？刂?、模糊控制和專家系統(tǒng)等多種控制方法被應(yīng)用或被嘗試應(yīng)用到船舶航向保持控制中，且已取得一些成果;但考慮到上述方法在可靠性和魯棒性等方面存在不足，在真實(shí)船舶航向保持控制中很少應(yīng)用這些方法。[1,11-12]該平臺(tái)提供與真實(shí)船舶控制幾乎相同的試驗(yàn)環(huán)境，能為一些高級(jí)或智能算法的實(shí)際應(yīng)用提供測(cè)試平臺(tái)。為驗(yàn)證該平臺(tái)的航向保持控制性能，選擇最易實(shí)現(xiàn)的PID對(duì)船舶航向進(jìn)行跟蹤控制。

4 試驗(yàn)測(cè)試及分析

為驗(yàn)證模型船航向保持控制仿真平臺(tái)的航向保持控制性能，進(jìn)行水池環(huán)境下的航向跟蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境見圖5。水池大小為2 m×5 m，模型船尺寸為92.5 cm×23.5 cm，模型船采用單槳單舵方式控制。

4.1 Nomoto模型參數(shù)辨識(shí)

模型船Z型模型參數(shù)辨識(shí)結(jié)果見圖6。根據(jù)圖6中的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法辨識(shí)出式(4)中的參數(shù)K=1.05，T=0.72。利用已辨識(shí)出的K和T對(duì)船舶Z型試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)報(bào)，可看出預(yù)報(bào)結(jié)果與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，說明參數(shù)辨識(shí)結(jié)果是可靠的。

4.2 航向跟蹤試驗(yàn)

航向跟蹤是使模型船按照預(yù)設(shè)的航向航行，且在航行過程中通過不斷控制舵角保持航向不變。經(jīng)標(biāo)定，該平臺(tái)航向跟蹤試驗(yàn)PID控制參數(shù)為：kP1=10;kI1=0;kD1=6。預(yù)設(shè)跟蹤航向?yàn)?80°，起始航向設(shè)為150°，航向跟蹤試驗(yàn)結(jié)果見圖7。由圖7可知,經(jīng)過不斷調(diào)整舵角，船舶航向逐漸穩(wěn)定至目標(biāo)航向。

圖5 試驗(yàn)環(huán)境

圖6 一階K-T模型參數(shù)辨識(shí)結(jié)果

a) 航向隨時(shí)間變化

b) 舵角隨時(shí)間變化

4.3 航速保持模型

經(jīng)標(biāo)定，適合該平臺(tái)的航速保持PID參數(shù)為：kP2=0.005;kI2=0;kD2=0.003。在上述試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行航速保持跟蹤試驗(yàn)，通過控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速使模型船從初始航速0 m/s逐漸控制在目標(biāo)航速0.4 m/s左右。航速保持控制試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

4.4 遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在模型船航行時(shí)，遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能訪問船載計(jì)算機(jī)，觀測(cè)模型船的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并能在必要時(shí)通過人工方式控制模型船。遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面見圖9。

a) 航速隨時(shí)間變化

b) 螺旋槳轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化

圖9 遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面

5 結(jié)束語

構(gòu)建基于欠驅(qū)動(dòng)水面模型船的航向保持控制仿真平臺(tái)，并在試驗(yàn)水池環(huán)境下驗(yàn)證平臺(tái)的性能。建立遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模型船人工控制及控制過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查看和存儲(chǔ)。建立基于單目視覺的航向與航速感知系統(tǒng)，提出基于最小二乘法的船舶航向保持控制一階K-T模型參數(shù)辨識(shí)方法，并通過Z型試驗(yàn)驗(yàn)證辨識(shí)方法的有效性。提出基于PID的船舶航向與航速保持方法，在試驗(yàn)水池環(huán)境下測(cè)試航向跟蹤和航速保持性能。

該平臺(tái)具有船舶定位精度高、操作簡(jiǎn)便和系統(tǒng)可控等優(yōu)點(diǎn)，不僅能完成航向保持控制研究，還能為今后開展船舶軌跡跟蹤控制、航跡控制及魯棒控制等提供測(cè)試平臺(tái)支持。

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Simulation Platform for Course Keeping Control of Underactuated Surface Model Ships

LIUChenguang1,2,3,CHUXiumin1,3,OUYANGXue1,3,4,XIEShuo1,2,3

(1. Intelligent Transport System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety, Wuhan 430063, China; 4. School of Logistics Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0001-05

U664.82;TP391.9

A

2016-07-15

湖北省自然科學(xué)基金(2015CFA111)；交通運(yùn)輸部科技成果推廣項(xiàng)目(2015326548030)

柳晨光(1988—)，男，江西九江人，博士生，從事船舶智能化與運(yùn)動(dòng)控制研究。 E-mail: liuchenguang@whut.edu.cn