無(wú)人艇自主避障算法設(shè)計(jì)與仿真

侯玉乙，滕音文，孫寶龍

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)院船研所，遼寧 大連 116005)

無(wú)人水面艇簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人艇，是一種小型水面智能平臺(tái)，其智能系統(tǒng)包括通訊系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和輔助無(wú)人艇安全航行的傳感器系統(tǒng)[1]。隨著通信、人工智能等技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用需求的強(qiáng)力推動(dòng)，無(wú)人艇已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，在水文研究、水面環(huán)境監(jiān)測(cè)、海事服務(wù)等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色[2]。

當(dāng)前，無(wú)人艇研究主要集中在路徑規(guī)劃算法方面，陳霄等[3]提出一種基于改進(jìn)視線(xiàn)導(dǎo)引算法與自適應(yīng)滑模航向控制算法的無(wú)人艇航跡跟蹤控制算法，通過(guò)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了算法的有效性。陳卓等[4]提出采用進(jìn)化勢(shì)場(chǎng)模型完成無(wú)人艇的路徑規(guī)劃，在算法模型中引入路徑評(píng)價(jià)方程和微分進(jìn)化算法，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。吳波等[5]研究了基于速度障礙法的無(wú)人艇自動(dòng)避碰算法，克服了局部路徑規(guī)劃的局限性，仿真完成了復(fù)雜環(huán)境中的安全避障。無(wú)人艇路徑規(guī)劃問(wèn)題是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，包括基于環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃和基于外部傳感器的局部路徑規(guī)劃。基于環(huán)境信息的全局路徑規(guī)劃前人已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[6-7]，但在規(guī)劃航線(xiàn)上難免會(huì)存在一些未知的靜態(tài)障礙物，影響航行安全。無(wú)人艇要想實(shí)現(xiàn)自主航行，不僅要實(shí)現(xiàn)在全局規(guī)劃航線(xiàn)上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要能夠及時(shí)避開(kāi)規(guī)劃航線(xiàn)上的未知障礙物，保證其安全航行。

1 無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由船載部分和岸基部分組成，如圖1所示。船載部分包括的無(wú)人艇控制器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)處理來(lái)自傳感器、通訊模塊和導(dǎo)航模塊的數(shù)據(jù)，做出航行決策；傳感器模塊，負(fù)責(zé)感知無(wú)人艇周?chē)h(huán)境信息，為模糊控制算法提供障礙物距離信息；導(dǎo)航模塊，提供無(wú)人艇實(shí)時(shí)位置；船載無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊將信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng)，供岸基人員監(jiān)控、決策；動(dòng)力模塊接受控制器的輸出指令，對(duì)螺旋槳和舵機(jī)進(jìn)行控制。岸基部分主要包括接受無(wú)人艇上實(shí)時(shí)傳輸參數(shù)的岸基無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊和地面站系統(tǒng)，地面站系統(tǒng)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息和實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇狀態(tài)參數(shù)顯示，供岸基人員監(jiān)控和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 無(wú)人艇運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成示意圖

2 無(wú)人艇模糊控制算法設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人艇避障系統(tǒng)原理

無(wú)人艇采用全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式完成自主航行。全局路徑航行是指人在岸基根據(jù)地圖信息設(shè)置好需要到達(dá)的航點(diǎn)，使無(wú)人艇沿著自動(dòng)生成的路線(xiàn)航行；當(dāng)在規(guī)劃航線(xiàn)上遇到未知的靜態(tài)障礙物時(shí)，無(wú)人艇通過(guò)自身攜帶的超聲波傳感器獲取周?chē)h(huán)境信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前方有威脅到自身航行安全的障礙物時(shí)，啟動(dòng)避障模塊，使其繞開(kāi)障礙物，順利完成各航點(diǎn)的巡航任務(wù)。無(wú)人艇避障流程圖如圖2所示。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中，避障模塊的優(yōu)先級(jí)最高，即在航向過(guò)程中首先需保證無(wú)人艇的航行安全，其次是在設(shè)定航線(xiàn)上航行。

圖2 避障流程圖

2.2 模糊控制規(guī)則構(gòu)建

模糊控制是控制理論和模糊數(shù)學(xué)結(jié)合得到的控制方法，通過(guò)規(guī)則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，不依賴(lài)于精確數(shù)學(xué)模型，但也不是隨機(jī)的，規(guī)則依賴(lài)于現(xiàn)有知識(shí)基礎(chǔ)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)。本文無(wú)人艇避障系統(tǒng)采用模糊控制算法，依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和避障規(guī)則制定算法控制規(guī)則。規(guī)則包括4個(gè)輸入，分別為前方、左側(cè)、右側(cè)超聲波測(cè)得的距離和羅盤(pán)測(cè)量的偏航角；2個(gè)輸出，分別為舵角和航速。部分模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

其中，近和遠(yuǎn)代表距障礙物遠(yuǎn)近信息；正、負(fù)和零表示無(wú)人艇航向與目標(biāo)航向的夾角即偏航角，以右為正；右舵大表示操右舵，且為大舵角；左舵小表示操左舵，且為小舵角；快、慢表示航速。

規(guī)則采用“IF-THEN”的形式進(jìn)行描述，例如：IF無(wú)人艇左方、右方無(wú)障礙物或距離障礙物較遠(yuǎn)，前方距離障礙物較近，且偏航角為正，THEN無(wú)人艇以右舵大舵角慢速航行。

2.3 隸屬度函數(shù)構(gòu)建

隸屬度函數(shù)是模糊控制的基礎(chǔ)，隸屬度函數(shù)構(gòu)造是否合理將直接影響控制器的性能。隸屬度函數(shù)主要包括三角形隸屬度函數(shù)、梯形隸屬度函數(shù)和高斯型隸屬度函數(shù)[8]。本文依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合超聲波傳感器的測(cè)量距離和無(wú)人艇航速設(shè)計(jì)模糊控制算法的輸入、輸出范圍和隸屬度，選擇三角形和梯形隸屬度函數(shù)作為函數(shù)模型，通過(guò)MF編輯器來(lái)構(gòu)建隸屬函數(shù)，進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，最終得到了理想的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)

無(wú)人艇模糊控制算法包括4個(gè)輸入和2個(gè)輸出，輸入分別為圖3(a)、(b)、(c)所表示的前、左、右3個(gè)方向上的超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量的距障礙物距離信息隸屬度和圖3(d)表示的偏航角隸屬度；輸出分別為圖3(e)、(f)所表示的舵角和航速隸屬度。由圖3知，超聲波測(cè)距傳感器的論域?yàn)閇0,800]，因船的運(yùn)動(dòng)主要在船長(zhǎng)方向，幾乎不發(fā)生側(cè)移，所以，對(duì)于前面的超聲波傳感器，當(dāng)距障礙物的距離小于600 cm時(shí)，船舶開(kāi)始進(jìn)行避障；當(dāng)距離小于200 cm時(shí)，視為距離障礙物很近，進(jìn)行緊急避讓?zhuān)蛔笥覂陕烦暡?，其主要作用是保障船舶在狹窄區(qū)域或轉(zhuǎn)向時(shí)的安全，與障礙物距離大于400 cm時(shí)，均視為安全距離，小于100 cm時(shí)視為距障礙物較近。偏航角的論域?yàn)閇-180,180]，輸出速度論域?yàn)閇0,4]，舵角輸出大小根據(jù)實(shí)船操舵要求，舵角論域設(shè)為[-30,30]。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

模糊控制算法避障仿真實(shí)驗(yàn)在Windows 7系統(tǒng)，MATLAB 2014a環(huán)境下進(jìn)行。在16 m×8 m仿真環(huán)境設(shè)置若干障礙物，如圖4所示，黑色實(shí)心圓即為障礙物位置信息，為了仿真過(guò)程中直觀(guān)判斷無(wú)人艇航行路線(xiàn)是否在安全區(qū)域；點(diǎn)劃線(xiàn)圓繪出了無(wú)人船航行時(shí)距障礙物的安全范圍，圓外即為安全區(qū)域，圓內(nèi)屬于危險(xiǎn)區(qū)域。

圖4 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證算法的可行性，分別設(shè)置3個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)，基于模糊控制算法在環(huán)境中分別進(jìn)行路徑規(guī)劃。起點(diǎn)1(0,0)，終點(diǎn)1(16,8)；起點(diǎn)2(0,0)，終點(diǎn)2(16,6)；起點(diǎn)3(0,2)，終點(diǎn)3(16,8)；路徑仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，算法生成的路徑可有效避開(kāi)環(huán)境中的障礙物，且均在安全區(qū)域內(nèi)，滿(mǎn)足無(wú)人艇航行、避障要求，驗(yàn)證了算法的有效性。

圖5 路徑仿真圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前無(wú)人艇智能航行中，如何更好地避開(kāi)規(guī)劃航線(xiàn)上的障礙物問(wèn)題，本文提出在艇上安裝超聲波傳感器的方式，獲取航行過(guò)程中周?chē)h(huán)境信息，采用基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人艇航行過(guò)程中有效避開(kāi)規(guī)劃航線(xiàn)上的障礙物。依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了避障規(guī)則，根據(jù)超聲波傳感器的有效工作范圍和無(wú)人艇航速設(shè)計(jì)了隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)，Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性，對(duì)無(wú)人艇智能航行具有借鑒意義。