改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID錨泊點(diǎn)切換控制器設(shè)計(jì)

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津 300387)

引言

虛擬錨泊浮標(biāo)是一種結(jié)合傳統(tǒng)錨定浮標(biāo)和波浪能滑翔器的新型海上觀測(cè)平臺(tái)，主要包括：水面浮標(biāo)、鎧裝纜和牽引機(jī)。目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于虛擬錨泊浮標(biāo)的相關(guān)文獻(xiàn)。傳統(tǒng)錨定浮標(biāo)不能自主走航，其定位精度不高，不適用于深遠(yuǎn)海。波浪能滑翔器的研究取得初步成果，但國外對(duì)于波浪能滑翔器控制策略鮮有提及，國內(nèi)研究主要是采用PID算法與其它算法相結(jié)合的導(dǎo)航算法[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID錨泊點(diǎn)切換控制器，實(shí)現(xiàn)了虛擬錨泊浮標(biāo)在錨泊點(diǎn)之間的位置切換，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與魯棒性。

一、運(yùn)動(dòng)模型

盧旭利用Fossen矩陣對(duì)波浪能滑翔器建立的運(yùn)動(dòng)模型沒有考慮升沉自由度[2]，而虛擬錨泊浮標(biāo)由波浪能驅(qū)動(dòng)，其升沉自由度必不可少。因此，建立虛擬錨泊浮標(biāo)四自由度運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，其運(yùn)動(dòng)方程組可以表示為：

(1)

其中，xi(k)、xi(k)、xi(k)分別為在大地坐標(biāo)系下x、y、z方向上的位移，xi(k)為虛擬錨泊浮標(biāo)航向角，xi(k)為浮標(biāo)縱蕩速度，xi(k)為浮標(biāo)的橫蕩速度，xi(k)為浮標(biāo)升沉速度，xi(k)為浮標(biāo)艏搖角速度；m11、m22、m33、m44為質(zhì)量慣性參數(shù)；d11、d22、d33、d44為水阻力(矩)參數(shù)；T1為水翼產(chǎn)生的縱向推力，xi(k)為波浪和重力對(duì)虛擬錨泊浮標(biāo)在垂直方向上的合力，T4為尾舵產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩，xi(k)和xi(k)為水翼和尾舵的水動(dòng)力(矩)參數(shù)，xi(k)為舵角。

二、錨泊點(diǎn)切換控制器設(shè)計(jì)

(一)高斯大地線主題反解算法

大地主題反解是指根據(jù)已知的大地元素去求解其他大地元素的過程。本文通過GPS可以得到虛擬錨泊浮標(biāo)所在坐標(biāo)的經(jīng)緯度，通過大地主題反解算法去求得所需的導(dǎo)航數(shù)據(jù)(兩點(diǎn)之間的大地線距離和方位角)[3]。

(二)視向跟蹤算法

視向跟蹤算法是指只周期性的調(diào)整自身航向，以期望達(dá)到自身航向和虛擬錨泊浮標(biāo)當(dāng)前位置與目標(biāo)錨泊點(diǎn)之間連線的方位角一致。具體算法過程為：在朝著目標(biāo)錨泊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，虛擬錨泊浮標(biāo)每次采集到GPS點(diǎn)，進(jìn)行重新定位并通過高斯大地線主題反解算法計(jì)算高斯大地線距離以及自身GPS點(diǎn)與目標(biāo)錨泊點(diǎn)之間的方位角，判斷虛擬錨泊浮標(biāo)是否達(dá)到指定的錨泊點(diǎn)。當(dāng)?shù)竭_(dá)指定錨泊點(diǎn)誤差圓范圍內(nèi)，進(jìn)行虛擬錨泊控制，未達(dá)到指定錨泊點(diǎn)誤差范圍內(nèi)，重新進(jìn)行航向校正。

(三)改進(jìn)單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是按有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)的。在大量的實(shí)際，應(yīng)用中，通過實(shí)踐表明，PID參數(shù)的在線學(xué)習(xí)修正主要與e(k)和△e(k)有關(guān)?；诖丝蓪紊窠?jīng)元自適應(yīng)PID控制算法中的加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)修正部分進(jìn)行修改，即將其中的xi(k)改為e(k)+Δe(k)。

(四)錨泊點(diǎn)切換控制設(shè)計(jì)

錨泊點(diǎn)切換控制是指虛擬錨泊浮標(biāo)為了執(zhí)行新任務(wù)從一個(gè)錨泊點(diǎn)到另一個(gè)錨泊點(diǎn)進(jìn)行位置切換的控制，主要功能是進(jìn)行短距離錨泊點(diǎn)之間位置切換。具體可以描述為：通過GPS獲得當(dāng)前位置信息，通過羅盤采集虛擬錨泊浮標(biāo)當(dāng)前航向角。當(dāng)前位置信息通過高斯大地主題反解視向跟蹤算法計(jì)算出到下一個(gè)錨泊點(diǎn)的距離與期望航向角，期望航向與當(dāng)前航向會(huì)存在一定的偏差，即航向差。控制系統(tǒng)檢測(cè)到該差值后，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法計(jì)算出恢復(fù)到期望航向所需的舵機(jī)轉(zhuǎn)角的變化量，即舵角增量。當(dāng)舵角增量在[-5°,5°]范圍內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)不對(duì)虛擬錨泊浮標(biāo)的舵機(jī)執(zhí)行任何動(dòng)作，稱之為放空，這是一種放空節(jié)能策略。當(dāng)舵角增量大于5°或小于-5°時(shí)，根據(jù)當(dāng)前舵角算出打舵角度，虛擬錨泊浮標(biāo)執(zhí)行打舵動(dòng)作。執(zhí)行打舵動(dòng)作之后，虛擬錨泊浮標(biāo)航行軌跡就會(huì)朝期望航向偏移。此時(shí)，再通過GPS和羅盤采集當(dāng)前位置信息和當(dāng)前航向，與預(yù)設(shè)錨泊點(diǎn)信息和期望航向進(jìn)行對(duì)比判斷，如果到達(dá)預(yù)設(shè)錨泊點(diǎn)，停止錨泊點(diǎn)切換算法，沒有達(dá)到，重復(fù)之前的控制、執(zhí)行和再判斷過程。

三、仿真分析

以虛擬錨泊浮標(biāo)樣機(jī)為對(duì)象，在三級(jí)海況(波高1m，周期4s)下，分別利用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID錨泊點(diǎn)切換控制器與增量式PID錨泊點(diǎn)切換控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

設(shè)置錨泊點(diǎn)1坐標(biāo)為(0,0)和錨泊點(diǎn)2坐標(biāo)為(60,60)，虛擬錨泊浮標(biāo)初始艏搖角設(shè)定為0°。兩次仿真過程中，虛擬錨泊浮標(biāo)視向跟蹤軌跡變化如圖1所示，航向變化如圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出改進(jìn)單神經(jīng)元PID控制器比增量式PID控制器具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。

圖1 虛擬錨泊浮標(biāo)軌跡變化

圖2 虛擬錨泊浮標(biāo)航向變化

四、結(jié)語

本文利用Fossen矩陣建立了虛擬錨泊浮標(biāo)四自由度運(yùn)動(dòng)模型，通過高斯大地主題反解視向跟蹤算法得出期望導(dǎo)航數(shù)據(jù)，采用改進(jìn)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，實(shí)現(xiàn)了虛擬錨泊浮標(biāo)在錨泊點(diǎn)之間進(jìn)行位置切換的控制。通過仿真分析，結(jié)果表明所提出的控制器具有很好的錨泊點(diǎn)切換功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]廖煜雷,李曄,劉濤,等.波浪滑翔器技術(shù)的回顧與展望[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(9):1227-1236.

[2]盧旭.波浪滑翔器總體技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2015.

[3]趙長勝.高斯平均引數(shù)計(jì)算大地坐標(biāo)主題反解的迭代算法[J].測(cè)繪通報(bào),2004,(10):11-12.