無人艇的目標(biāo)跟蹤策略研究

李 剛 龔 純 胡 鵬

（1.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150009；2中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430060）

目前，針對無人艇的航速和航向控制的研究已經(jīng)開展了很長時間，產(chǎn)生了許多研究方法，如經(jīng)典的PID控制技術(shù)以及各種改進的PID控制技術(shù)、李雅普諾夫（Lyapunov）直接法控制器設(shè)計、模糊控制技術(shù)、反步（Backstepping）控制器設(shè)計法、滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計、自適應(yīng)控制器設(shè)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計以及其他各種混合智能或基于智能優(yōu)化算法改進的控制器設(shè)計。

1 無人水面艇的控制策略研究

1.1 USV的跟蹤范圍

由于無人水面艇執(zhí)行跟蹤的任務(wù)，配備了高檢測范圍的超感器，檢測范圍為L1；在跟蹤過程中防止與目標(biāo)船只距離過近暴露本船，設(shè)置一個安全的跟蹤距離L2；為防止無人艇的航向與目標(biāo)船只航向相對的情況，或者無人艇在跟蹤過程中由于旋轉(zhuǎn)偏角過大，導(dǎo)致旋回半徑過大，目標(biāo)丟失的情況，還要以目標(biāo)船只航向為中心左右設(shè)置一個偏角θ，在這個偏角內(nèi)，使目標(biāo)丟失的幾率很小。如圖1所示，目標(biāo)在B點，圓B以目標(biāo)為圓心，安全距離L2為半徑，圓L1以目標(biāo)為圓心，檢測范圍L1為半徑，直線OC為目標(biāo)的航向。所以，當(dāng)目標(biāo)正常航行時，無人艇的跟蹤區(qū)域為一個扇環(huán)，可以在扇環(huán)內(nèi)任意位置航行。

圖1 跟蹤區(qū)域

圖2 啟動跟蹤邊界和最佳跟蹤點

1.2 USV啟動和停止跟蹤

在整個跟蹤過程中，有一個最佳跟蹤點，如圖2中的X點，它處在目標(biāo)航向的正后方，距離為(L2+L1)/2的位置，該位置處在跟蹤區(qū)域的中心點。當(dāng)無人艇處在這個位置時，無人艇的運動方向水平自由度達到最大，同時，到達傳感器檢測范圍的邊界也有一定的距離空余，進行無運動監(jiān)視的時間就能最長。停止跟蹤時，盡量眼控制無人艇要到達此位置，便可以達到最好的跟蹤效果。

2 無人艇控制算法研究

針對目標(biāo)的跟蹤策略，選取無人艇與目標(biāo)的相對距離L，無人艇在目標(biāo)航向上的偏差角度θ，兩個參數(shù)作為區(qū)分各種情景依據(jù)。

圖3 跟蹤系統(tǒng)流程圖

圖4 航向計算圖

無人艇的航向跟蹤系統(tǒng)流程如圖3所示，航向計算如圖4所示，O為當(dāng)前目標(biāo)的位置，M為當(dāng)前無人艇的位置，X為最佳跟蹤點位置。a、b兩條直線是平行線，都指向正北方向，θ為目標(biāo)O的航向角，根據(jù)平行線定理知道b與直線OX的夾角也為θ，通過余弦定理可以求得γ，γ是無人艇原理上的航向。航向的左右在數(shù)值數(shù)值上通過正負表示，γ正負的判斷通過，M和X的相對位置確定。無人艇在左，數(shù)值為正，反之為負。

由于無人艇在水面上的運動受到外界各種干擾，無人艇數(shù)學(xué)模型和真實情況存在差距，所以，在跟蹤過程中，采用了模糊控制的算法進行航速的修正。將L、ΔL作為輸入，無人艇的航速作為輸出，考慮到風(fēng)浪流對實際輸出的影響，實時輸出無人艇的位置，根據(jù)更新位置，再次進行模糊控制，不斷修正航速數(shù)據(jù)，具體算法流程如圖5所示。

圖5 算法流程

3 仿真

在本文的仿真實驗中，將海流對無人艇運動的干擾等效為3°的恒值干擾，而風(fēng)浪對無人艇運動的干擾用白噪聲和一個二階波浪傳遞函數(shù)來表示，其表達式為：

式中，w(s)表示均值為零的高斯白噪聲，功率譜密度為0.1，h(s)表示一個二階海浪傳遞函數(shù)，表達式為：

其中，ω0表示主導(dǎo)海浪頻率，ξ表示阻尼系數(shù)，Kω=2ξω0σω指的是增益常數(shù)，是描述波浪強度的常數(shù)。如果，Tω=8s，h1/3=2m，ξ=0.3時，Kω=0.1979，σm=0.544，ω0=0.606。

4 結(jié)論

根據(jù)仿真的實驗結(jié)果可以看出模糊控制航速的方法實現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤的效果，但在仿真過程中，為了數(shù)據(jù)的更新，采取36s數(shù)據(jù)刷新頻率，如果數(shù)據(jù)刷新頻率過低，很容易造成跟蹤失敗。