網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制器設(shè)計(jì)

陳麗麗，王玉龍

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘 要: 無人水面艇自主航行中受到外部環(huán)境干擾及在控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)特性 (如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包等) 的影響，會(huì)降低系統(tǒng)性能，影響航向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了能使無人艇按照設(shè)定航向快速、穩(wěn)定地航行，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制策略。首先，建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制系統(tǒng)模型。基于這個(gè)模型，運(yùn)用 Lyapunov 穩(wěn)定性理論和凸分析方法導(dǎo)出能使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制律，并設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)的航向控制器。通過仿真驗(yàn)證所提出方法和設(shè)計(jì)控制器的有效性。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制器設(shè)計(jì)

陳麗麗，王玉龍

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘 要: 無人水面艇自主航行中受到外部環(huán)境干擾及在控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)特性 (如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包等) 的影響，會(huì)降低系統(tǒng)性能，影響航向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了能使無人艇按照設(shè)定航向快速、穩(wěn)定地航行，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制策略。首先，建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制系統(tǒng)模型。基于這個(gè)模型，運(yùn)用 Lyapunov 穩(wěn)定性理論和凸分析方法導(dǎo)出能使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制律，并設(shè)計(jì)基于網(wǎng)絡(luò)的航向控制器。通過仿真驗(yàn)證所提出方法和設(shè)計(jì)控制器的有效性。

無人水面艇；航向控制器；網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延；丟包

0 引 言

無人水面艇（Unmanned surface vehicle，USVs）作為一種自主式小型船舶廣泛應(yīng)用于資源勘測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、探險(xiǎn)、軍事活動(dòng)等領(lǐng)域[1-2]。通常，在無人水面艇自主運(yùn)動(dòng)中，航向控制是最基本的操縱運(yùn)動(dòng)。對(duì)無人水面艇的航向控制是基于岸基或者基于母船的控制中心來實(shí)現(xiàn)的。通過無人艇上的采樣器采集首向角，首搖角速度、橫搖角和舵角等狀態(tài)信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦行膶?duì)采樣器發(fā)來的航向信息進(jìn)行構(gòu)造并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉鏅C(jī)執(zhí)行器，由舵機(jī)來執(zhí)行操舵命令，完成航向的控制[3]。使用無線通信網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)具有布線簡單、結(jié)構(gòu)靈活、成本低、便于維護(hù)和安裝，相比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[4-5]。然而，將網(wǎng)絡(luò)引入無人水面艇的控制系統(tǒng)中不可避免地會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失[3]。這些現(xiàn)象可能對(duì)無人艇的航向控制系統(tǒng)性能（如穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間）產(chǎn)生負(fù)面影響。因此有必要研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失等對(duì)無人水面艇的航向控制的影響。

對(duì)于無人艇在海上的航向問題，風(fēng)、浪、流的干擾及網(wǎng)絡(luò)特性（如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、丟包等）的影響會(huì)使無人艇產(chǎn)生航向的偏離，降低航向控制系統(tǒng)性能，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)具有能使無人艇按照設(shè)定航向快速、穩(wěn)定航行的控制器極其重要。目前針對(duì)無人艇的航向控制問題已取得一些成果。文獻(xiàn)[6]采用非線性采樣控制理論，設(shè)計(jì)了首搖和縱蕩狀態(tài)反饋控制律，使無人艇按照設(shè)定的航向航行。文獻(xiàn)[7]針對(duì)噴水推進(jìn)型無人艇的航向控制問題，在模型攝動(dòng)和環(huán)境干擾下設(shè)計(jì)了具有魯棒性的無人艇航向控制器。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用自抗擾算法設(shè)計(jì)了無人水面艇的航向自動(dòng)舵。文獻(xiàn)[9]提出了一種反步自適應(yīng)滑模控制方法，設(shè)計(jì)了單泵噴水推進(jìn)型無人滑行艇的航向跟蹤控制器。文獻(xiàn)[10]將支持向量回歸機(jī)（Support Vector Regression，SVR）引入無人艇的航向控制，提出自適應(yīng) SVR 逆控制方法，對(duì)無人艇航向進(jìn)行有效控制。然而，這些文獻(xiàn)研究的無人艇航向控制都是只考慮外部環(huán)境干擾并未考慮無人艇與岸基控制中心之間傳輸信息的無線通信網(wǎng)絡(luò)因素，如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包對(duì)航向控制的影響。

本文首次把網(wǎng)絡(luò)因素引入航向控制領(lǐng)域，建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制系統(tǒng)模型。考慮無人水面艇自主運(yùn)動(dòng)中受到外部環(huán)境干擾及控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中存在的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)特性（如時(shí)延、丟包等）影響，會(huì)降低無人艇航向控制系統(tǒng)性能，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制策略，使無人艇能按照設(shè)定航向快速、穩(wěn)定地航行。定義合適的 Lyapunov 泛函并利用凸分析方法，導(dǎo)出新的航向控制器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。數(shù)值仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的航向控制器能使無人水面艇較快地跟蹤設(shè)定的航向，并具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性，較高的控制精度。

1 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制模型建立

1.1 基于網(wǎng)絡(luò)的無人水面艇航向控制系統(tǒng)原理

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無人水面艇航向控制系統(tǒng)，無人艇是由岸基的控制中心控制。如圖 1 所示，采樣器采集無人艇的航向角 ψ（t）、首搖角速度 r（t）等的狀態(tài)信息，通過采樣器-控制中心網(wǎng)絡(luò)通道傳輸?shù)娇刂浦行模刂浦行谋容^當(dāng)前無人艇的航向和期望的航向并根據(jù)二者之差生成控制舵角信號(hào)，經(jīng)控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道，傳輸?shù)綀?zhí)行器，操縱無人艇改變航向，直到當(dāng)前航向與期望的航向相同。由于控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包，會(huì)降低系統(tǒng)性能，影響航向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給控制器的設(shè)計(jì)增加困難。故本文在建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)無人艇航向控制器，提高航向控制系統(tǒng)性能。

1.2 基于網(wǎng)絡(luò)的無人水面艇航向控制模型

首先，建立外部環(huán)境干擾下無人水面艇的航向控制模型；其次，將網(wǎng)絡(luò)因素引入航向控制模型，建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制模型。由于無人艇航向控制系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)它進(jìn)行建模會(huì)比一般的船舶航向控制系統(tǒng)建模復(fù)雜。

海浪干擾下的船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型為[11]：

式中：v（s），ψ（s），φ（s），δ（s）分別為v（t），ψ（t），φ（t），δ（t）的拉普拉斯函數(shù)；v（t），ψ（t），φ（t），δ（t）分別為由舵單獨(dú)引起的速度、航向角、橫搖角與舵角；ωφ和 ωψ分別為海浪對(duì)橫搖和首搖的擾動(dòng)；Tv和 Tr為時(shí)間的傳遞函數(shù)；Kvp，Kvr，Kdr，Kdp和 Kdv為增益；ζ 和 ωn分別為阻尼系數(shù)和自然頻率。

將式（1）的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程：

式中：x(t)=[v(t)r(t)ψ(t)p(t)φ(t)]T且x(t)∈?n，x0∈?n為系統(tǒng)的初始狀態(tài)；v（t），ψ（t），φ（t）分別為由舵單獨(dú)引起的速度、航向角與橫搖角；r（t）和 p（t）分別為首搖角速度、橫搖角速度；ω(t)=[ωφ(t)ωψ(t)]T為由海浪引起的外界干擾；ω(t)∈?p且 ω(t)∈L2[t0,∞)；δ(t)∈?m舵角為；矩陣 A，B 和 E 分別為：

上面各個(gè)參數(shù)的物理意義同前文提到的一致。

對(duì)于無人水面艇的航向控制，控制輸入為舵角δ（t），輸出為航向角 ψ（t）。考慮在受外部環(huán)境干擾的無人艇運(yùn)動(dòng)模型下，設(shè)置期望航向角為 ψd，將期望的航向角 ψd和實(shí)際航向角 ψ 作差即：z（t）= ψ（t）-ψd，于是將式（2）的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為：

其中：狀態(tài) ξ(t)=[v(t)r(t)ψ(t)?ψdp(t)φ(t)]T，A?=A；B?=B；E?=E；z(t)∈?l為輸出的航向角偏差；C=[0 0 1 0 0]，且（A，C）可觀測(cè)的。

與常規(guī)的船舶航向控制不同，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無人水面艇控制器是由岸基的控制中心（由控制器構(gòu)成）來實(shí)現(xiàn)的。控制中心與執(zhí)行器之間，采樣器與控制中心之間都是通過網(wǎng)絡(luò)來傳遞信息，由于無人水面艇航向控制系統(tǒng)中引入了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包。為了便于說明網(wǎng)絡(luò)對(duì)無人艇航向控制系統(tǒng)的影響，特對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)做出如下假設(shè)：傳感器和控制中心是都是時(shí)間驅(qū)動(dòng)，采樣周期都為 h 且具有相同的采樣時(shí)刻；執(zhí)行器是事件驅(qū)動(dòng)；沒有數(shù)據(jù)包亂序；傳感器和控制中心的網(wǎng)絡(luò)通道不存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包。

考慮采樣器-控制中心之間的網(wǎng)絡(luò)通道不存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包，而控制中心-執(zhí)行器間的網(wǎng)絡(luò)通道存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包。令控制中心的采樣時(shí)刻[18]：tk，tk+ h，tk+ 2h，tk+ …，tk+1，tk+1+ h，tk+1+ 2h，tk+1+…（k = 0，1，2，…），假設(shè)控制輸入信號(hào)在 tk，tk+1，…時(shí)刻生成并成功的傳輸?shù)綗o人水面艇，而在 tk和 tk+1（k = 0，1，2，…）之間生成的控制輸入丟失，設(shè) σca為數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的連續(xù)丟包數(shù)的上限，則對(duì)于 t∈[tk+τk,tk+1+τk+1)，無人艇的控制輸入可以表示為：

式中：K 為控制器增益；τk為岸基控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延，0＜τm＜ τk＜τM≤τˉh，τˉ為正數(shù)，定義時(shí)變時(shí)延[18]τ（t）= t - tk。假設(shè)0＜τm≤τ(t)＜tk+1+τk+1?tk=ηM，已知常數(shù) τm和 τM滿足 τm＞ 0，τM＞ 0。

對(duì)于 t∈[tk+τk,tk+1+τk+1)，受外部干擾的無人艇航向控制模型（3）可轉(zhuǎn)化為：

根據(jù)式（3）和式（5），則有基于網(wǎng)絡(luò)的無人水面艇航向控制模型為：

其中：時(shí)變時(shí)延 τ（t）= t - tk，τm≤ τk＜ τM，對(duì)于t∈[tk+τk,tk+1+τk+1)，則有 τ(t)∈[τk,tk+1?tk+τk+1)，而由 τm≤ τk＜ τM和 tk+1?tk≤(σca+1)h，可得τ(t)∈[τm,ηM)，其中，ηM=τM+(σca+1)h，且τ˙(t)=1；σca為數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的連續(xù)丟包數(shù)的上限；h 為控制器的采樣周期；ξ(t0)=ξ(0) 為增廣系統(tǒng)狀態(tài)初始值 。

基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制模型（6）是本文與其他研究無人艇航向控制的主要區(qū)別。其他文獻(xiàn)只考慮外部環(huán)境干擾，本文在考慮外部環(huán)境干擾基礎(chǔ)上，考慮了控制中心-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通道中的網(wǎng)絡(luò)特性（包括網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和丟包）對(duì)無人艇航向控制系統(tǒng)的影響。

2 穩(wěn)定性分析

本節(jié)將運(yùn)用 Lyapunov 穩(wěn)定性分析方法，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向系統(tǒng)模型（6）作穩(wěn)定性分析，給出系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件。

定理1：對(duì)于給定的標(biāo)量 τm，σca，τM及 h，如果存在對(duì)稱正定矩陣 P1，P2，P3，Q1，Q2，Q3，R1，R2，以及矩陣 X1，X2，S 使得式（7）、式（8）和式（9）成立，則稱無人艇航向控制系統(tǒng)（6）漸進(jìn)穩(wěn)定，并具有 H∞ 性能范數(shù)界 γ。

其中：

證明：構(gòu)造如下的 Lyapunov 泛函：

其中，

對(duì) V(t,ξt) 進(jìn)行求導(dǎo)，則有

其中，

由文獻(xiàn)[12]引理 1 和文獻(xiàn)[14]引理 2 可知，

當(dāng)系統(tǒng)未受到干擾時(shí)，ω（t）= 0，則存在任意適當(dāng)維數(shù)的矩陣 X1，X2使得系統(tǒng)（6）滿足如下等式：

則根據(jù) H∞ 性能定義及系統(tǒng)（6）得

其中，

3 反饋控制器設(shè)計(jì)

本節(jié)基于系統(tǒng)（6）漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件設(shè)計(jì)航向控制器使無人艇航向控制系統(tǒng)鎮(zhèn)定。

定理2：對(duì)于系統(tǒng)（6），給定標(biāo)量 τm，σca，τM，λ及 h，如果存在對(duì)稱正定矩陣以及矩陣，W，X 使得式（15）～ 式（17）成立，則有狀態(tài)反饋控制器 K = WX-1，使得網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的系統(tǒng)（6）具有 H∞ 性能范數(shù)界 γ。

證明：由定理 1 知，系統(tǒng)（6）在滿足式（7）～式（9）的條件下具有 H∞ 性能范數(shù)界 γ。令M1=diag{X,X}T，M2=diag{X,X,X,X,X,I}T，對(duì)式（7）和式（8）均左乘 M1，右乘 M1的轉(zhuǎn)置，式（9）左乘M2，右乘 M2的轉(zhuǎn)置，并令 X=X1?1=λX?21，=XTPiX,Q~i= XTQiX(i=1,2,3)，R?i=XTRiX(i=1,2)，W=KX，X=P-1，再運(yùn)用 Schur 補(bǔ)定理使得式（15）～ 式（17）成立。即定理 2 成立。

定理 2 是在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延下界 τm≠ 0 的情況下所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇的航向控制器。考慮 τm= 0 時(shí)，無人艇航向控制器的設(shè)計(jì)。仍然運(yùn)用式（10）的 Lyapunov 泛函，則可得定理 3。

定理3：對(duì)于系統(tǒng)（6），給標(biāo)量 τM、σca、λ 及 h，如果存在對(duì)稱正定矩陣 P?1，P?2，P?3，Q?1，Q?2，Q?3，R?1，R?2以及矩陣 S?，W，X 使得以下式（18）～ 式（20）成立，則有狀態(tài)反饋控制器 K = WX-1，使得系統(tǒng)（6）具有 H∞ 性能范數(shù)界 γ。

其中，

4 數(shù)字仿真

為了說明本文提出的算法和設(shè)計(jì)的航向控制器的有效性，取無人水面艇的前進(jìn)速度 U = 7.8 m/s，本文以某無人艇作為控制對(duì)象，根據(jù)文獻(xiàn)[11]的參數(shù)得矩陣A，B，C，E 的值，即

無人水面艇在航行中受海浪干擾采用ITTC單參數(shù)波普描述[17]，即 Sξ={(A/ω5)eB/ω4，式中，B=?3.11/，H1/3為有義波高。該波普可由白噪聲通過二階海浪成形傳遞函數(shù)得到，即

網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包參數(shù)如下：σca= 1，τm= 0.01，τM= 0.2，h = 0.1；并取 λ = 0.2，則時(shí)變時(shí)延的曲線圖如圖 2 所示。

文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]提出了針對(duì)一般網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法。但文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]中的方法也可以處理本文所述的無人水面艇的航向控制器設(shè)計(jì)問題。在實(shí)驗(yàn)條件相同的前提下，采用文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[16]及本文提出的方法分別進(jìn)行控制。初始值設(shè)為ξ(t)=[0 0 0 0 0]T，采用本文提出的方法設(shè)計(jì)無人水面艇航向控制器，得到控制器參數(shù)如下：K=[?0.43470.93024.10180.0000?0.0000]；H∞ 性能范數(shù)界 γ = 1.716 7，而應(yīng)用文獻(xiàn)[13]中的定理 1 經(jīng)線性矩陣不等式推理仿真可得：γ = 2.129 2，K = [-0.345 8 0.727 1 13.143 7 -0.000 0 -0.000 0]；應(yīng)用文獻(xiàn)[16]中的定理1經(jīng)性矩陣不等式推理仿真可得：γ = 7.366 9，K = [-0.379 8 0.747 0 2.998 9 -0.000 0 0.000 00]。令無人水面艇期望航向角為 ψd= 20°，無人艇航向保持響應(yīng)曲線如 3 所示，其中性能比較如表 1 所示。

圖 3 為相同網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包情況下，無人水面艇的航向保持控制曲線。從圖中可看出，運(yùn)用文獻(xiàn)[13]、文獻(xiàn)[16]的控制方法設(shè)計(jì)的無人艇航向控制器都使系統(tǒng)具有超調(diào)，且輸出有振蕩，達(dá)到穩(wěn)定較慢。而本文設(shè)計(jì)的控制器響應(yīng)速度快且無超調(diào)，能無靜差地跟蹤設(shè)定的航向。從圖 3（b）也可看出，本文設(shè)計(jì)的控制器使舵角輸出較為平滑，幅度較小。說明本文設(shè)計(jì)的控制器對(duì)無人艇航向保持控制具有較好的控制效果。

表 1 無人艇航向控制 H∞ 性能比較Tab. 1 The H∞ performance comparison of USV heading control

從表 1 可看出，與應(yīng)用文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]中的方法設(shè)計(jì)的無人水面艇的航向控制器相比，本文設(shè)計(jì)的控制器使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間最短為 2.94 s，且無超調(diào)，而文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]中的控制器，使無人艇航向控制系統(tǒng)都具有超調(diào)，且 H∞ 性能范數(shù)界 γ 都較本文的大，對(duì)外部的抗干擾性能較差。綜上，本文設(shè)計(jì)的無人艇航向控制器，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間較短，無超調(diào)，無靜差地跟蹤設(shè)定的航向且對(duì)外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒性。

為了驗(yàn)證本文的航向控制策略對(duì)無人艇轉(zhuǎn)向控制依舊有效，令期望的轉(zhuǎn)向角 ψd= 20°，采用上文控制器增益進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果見圖 4。

圖 4 為期望航向角為 20° 的無人艇航向轉(zhuǎn)向響應(yīng)曲線。從圖 4可看出，由于存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包，航向變化曲線和控制舵角變化曲線都在約 0.3 s時(shí)才開始響應(yīng)，與應(yīng)用文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]中的控制策略求出的無人艇航向控制器相比，本文設(shè)計(jì)的控制器能使無人艇快速地跟蹤設(shè)定的航向，且無超調(diào)；圖 4（b）也說明，本文設(shè)計(jì)的控制器使控制舵角較平滑的達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向靈活，基本無超調(diào)。說明本文設(shè)計(jì)的控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇轉(zhuǎn)向控制也具有較好的控制效果。

5 結(jié) 語

本文研究了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制策略問題，在風(fēng)、浪、流干擾下的模型基礎(chǔ)上，建立基于網(wǎng)絡(luò)的無人艇航向控制系統(tǒng)模型。基于 Lyapunov 穩(wěn)定性條件和 LMI（線性矩陣不等式），得到使網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下無人水面艇航向控制系統(tǒng)的 H∞ 性能判據(jù)。設(shè)計(jì)的航向控制器可使無人艇航向控制系統(tǒng)穩(wěn)定，并且對(duì)外部干擾具有很強(qiáng)的魯棒性，在無人艇航向控制領(lǐng)域，比文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[16]的控制性能更優(yōu)。通過數(shù)值仿真，驗(yàn)證了算法的有效性。

[ 1 ]MAHACEK P, KITTS C A, MAS I. Dynamic guarding of marine assets through cluster control of automated surface vessel fleets[J]. IEEE/ASME. Transactions on Mechatronics, 2012, 1(17): 65-75.

[ 2 ]SOHN S I, OH J H, LEE Y S, et al. Design of a fuel-cellpowered catamaran-type unmanned surface vehicle [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2015, 2(40): 388-396.

[ 3 ]QI A C, HAN Q L, WANG Y L. A survey of motion control for marine vehicles[C]. Proceedings of the 34th Chinese Control Conference. Hangzhou, China, 2015: 28-30.

[ 4 ]YANG T C. Networked control system: a brief survey[J]. IEE Proc. Control Theory Applications, 2006, 153(4): 403-412.

[ 5 ]HWANG K S, TAN S W, HSIAO M S, et al. Cooperative multi-agent congestion control for high speed networks[J]. IEEE Transactions on Systems Man and Cybemetics, 2005, 35(2): 255-268.

[ 6 ]KATAYAMA H, AOKI H. Straight-line trajectory tracking control for sampled-data underactuated ships[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2014, 4(22): 1638-1645.

[ 7 ]由丹丹, 廖煜雷, 董早鵬. 噴水推進(jìn)無人艇航向的魯棒S面控制方法[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013(S1).

[ 8 ]王雨迪, 王國峰. 基于自抗擾控制算法的水面無人艇航向自動(dòng)舵設(shè)計(jì)[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2014.

[ 9 ]廖煜雷, 龐杰光, 莊家園. 噴水推進(jìn)型無人艇航向跟蹤的反步自適應(yīng)滑模控制[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究, 2012, (1)29: 83-100.

[10]孫巧梅, 任光. 自適應(yīng)逆控方法的無人艇航向控制[J]. 中國航海, 2012, 4(35): 17-21.

[11]楊承恩, 賈星樂, 畢英君. 船舶舵阻搖及其魯棒控制[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2001.

[12]PENG C, FEI M R. An improved result on the stability of uncertain T-S fuzzy systems with interval time-varying delay[J]. Fuzzy Sets Syst, 2013, 212(1): 97-109.

[13]JIANG C, ZOU D X, ZHANG Q L. Observer-based control for networked control systems with network induced delay and packet dropout[C]. Proceedings of the 8thWorld Congress on Intelligent Control and Automation. Jinan, China, 2010, 4376-4379.

[14]SEURET A, GOUAISBAUT F. Wirtinger-based integral inequality: application to time-delay systems[J]. Automatica, 2013, 49(9): 2860-2866.

[15]WANG Y L, HAN Q L. Network-based fault detection filter and controller coordinated design for unmanned surface vehicles in network environments[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2015(c) 1551-3203.

[16]豐敏佳, 王玉龍. 連續(xù)時(shí)間網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒故障檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程, 2015, 8(41): 101-109.

[17]劉勝. 現(xiàn)代船舶控制工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

[18]JIA X, ZHANG D, Hao X, et al. Fuzzy H∞ tracking control for nonlinear networked control systems in T-S fuzzy model[J]. IEEE Transcations on systems, Man and Cybernetics, 2009, 39(4): 1073-1079.

Heading controller design for unmanned surface vehicles in network environments

CHEN Li-li, WANG Yu-long
(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

An unmanned surface vehicle (USV) is subject to the influences of the external environment disturbance and network-induced characteristics (such as network-induced delay and packet loss in the control center-to-actuator network channel, which will degrade the performance and the stability of the heading control system. To make the unmanned surface vehicle sail fast and stably, a kind of USV network-based heading control strategy is proposed. Network-based models for the unmanned surface vehicle subject to the wave-induced disturbance are established. Based on these models, controller design criteria are derived to asymptotically stabilize the USV heading control system by defining a suitable Lyapunov functional and adopting the convex analysis method. The simulation results verify the effectiveness of the proposed control schemes and the designed controllers

unmanned surface vehicle；heading controller；network-induced delay；packet dropout

U675.95

A

1672 - 7619(2017)02 - 0125 - 07

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.025

2016 - 07 - 01；

2016 - 08 - 02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61374063，61403170）；江蘇省“333工程”科研資助項(xiàng)目（BRA2015358）；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目（DZXX-025）

陳麗麗(1990 - )，女，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o人水面艇運(yùn)動(dòng)控制。