無人艇的目標跟蹤策略研究

李 剛 龔 純 胡 鵬

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

目前，針對無人艇的航速和航向控制的研究已經開展了很長時間，產生了許多研究方法，如經典的PID控制技術以及各種改進的PID控制技術、李雅普諾夫（Lyapunov）直接法控制器設計、模糊控制技術、反步（Backstepping）控制器設計法、滑模變結構控制器設計、自適應控制器設計、神經網絡控制器設計以及其他各種混合智能或基于智能優化算法改進的控制器設計。

1 無人水面艇的控制策略研究

1.1 USV的跟蹤范圍

由于無人水面艇執行跟蹤的任務，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船只距離過近暴露本船，設置一個安全的跟蹤距離L2；為防止無人艇的航向與目標船只航向相對的情況，或者無人艇在跟蹤過程中由于旋轉偏角過大，導致旋回半徑過大，目標丟失的情況，還要以目標船只航向為中心左右設置一個偏角θ，在這個偏角內，使目標丟失的幾率很小。如圖1所示，目標在B點，圓B以目標為圓心，安全距離L2為半徑，圓L1以目標為圓心，檢測范圍L1為半徑，直線OC為目標的航向。所以，當目標正常航行時，無人艇的跟蹤區域為一個扇環，可以在扇環內任意位置航行。

圖1 跟蹤區域

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，它處在目標航向的正后方，距離為(L2+L1)/2的位置，該位置處在跟蹤區域的中心點。當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

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

圖3 跟蹤系統流程圖

圖4 航向計算圖

無人艇的航向跟蹤系統流程如圖3所示，航向計算如圖4所示，O為當前目標的位置，M為當前無人艇的位置，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O的航向角，根據平行線定理知道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。航向的左右在數值數值上通過正負表示，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，無人艇數學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，考慮到風浪流對實際輸出的影響，實時輸出無人艇的位置，根據更新位置，再次進行模糊控制，不斷修正航速數據，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，表達式為：

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

4 結論

根據仿真的實驗結果可以看出模糊控制航速的方法實現了目標跟蹤的效果，但在仿真過程中，為了數據的更新，采取36s數據刷新頻率，如果數據刷新頻率過低，很容易造成跟蹤失敗。