基于自主航行系統的無人船海上航跡多目標控制技術研究

毛煉 劉鑫

中海油安全技術服務有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057

引言

由于我國海域遼闊，開發并利用海洋成為我國發展的重要戰略方向，因海上航運活動的不斷增加，導致海上事故頻發，嚴重制約了我國海洋業務的可持續發展。隨著信息化技術的迅猛發展，無人船項目被世界各國所重視，其可以按照要求進行自主循跡、目標識別等任務，從而應對復雜多變的海洋環境。因此，無人船在海上自主航行時，需要精準控制無人船的航跡，確保無人船可以安全作業在海上。這就設計了航跡控制問題，我國眾多學者針對該問題紛紛展開相關研究，羅飛[1]等人基于逆反饋控制中的增量動態逆方法設計一種航跡控制技術，可以快速修正控制目標的航跡誤差；楊忠凱[2]等人提出一種基于LOS和ADRS相結合的航跡控制方法，以此實現復雜環境下航跡的精準控制。無人船自動駕駛是實現海上自動化、智能化作業的關鍵功能，海上航跡多目標控制誤差小的話，可以降低無人船意外事故發生的概率，從而提高航行的安全性，所以本文研究無人船海上航跡多目標控制技術對我國海上巡航等工作具有十分重要的現實意義。

1 基于自主航行系統的無人船海上多目標航跡規劃

一般來說，無人船海上航跡多目標控制的主要目的是以最小的誤差確保目標按預定義的航跡航行，避免無人船與其他船只、浮標、礁石等障礙物發生碰撞，從而降低碰撞風險，提高無人船航行的安全性。針對該特點，通過使用雷達、激光等傳感器設備來監測周圍環境，并實施安全路徑規劃。所以本章著重探討無人船海上安全航跡的規劃問題[3]。考慮到無人船的特點與海域環境的復雜性，本文引入了自主航行系統來規劃無人船海上航跡，自主航行系統是一種通過獲取無人船自身姿態信息與海域航行坐標數據，來協助無人船運動的系統，在無人船的航行過程中，該系統可以利用GPS、激光雷達等裝置實時采集無人船自身坐標點與周圍環境信息。由于自主航行系統采集模塊易被外界噪聲等因素干擾，導致采集數據存在誤差，因此，需要預處理自主航行系統采集數據，對于本文研究的無人船，可以通過航行距離與速度描述無人船的狀態，假設無人船在海上勻速航行，那么無人船的狀態向量T：

式中，X、Y分別表示無人船在二維空間中X、Y方向上的航行距離；VX、VY分別表示無人船在二維空間中X、Y方向上的航行速度。

根據式（1）獲得無人船的狀態向量，可以根據多個目標，確定多個無人船的狀態向量，設目標數量為n，獲得狀態向量集合，公式為：

根據公式（2）獲得的多目標的無人船的狀態向量，即可構建無人船的預測狀態方程，表達式如下所示：

式中，T' 表示無人船的預測狀態向量；Z表示狀態轉移矩陣；φ表示外部影響因素。

采用Dijkstra算法動態規劃無人船海上安全航跡。Dijkstra算法是在廣度優先搜索算法的基礎上引入了從起始點到當前節點的代價，其核心思想在于每次找到距離源點最近的一個頂點，然后以該頂點為基準擴展搜索范圍，最終求得源點到其他所有點的最短安全路徑，則基于自主航行系統的無人船海上多目標安全航跡規劃公式為：

式中，Dijkstra(?)表示無人船海上航跡規劃算法的代價函數。

2 無人船海上航跡多目標跟蹤控制

在文中上述內容的基礎上，本文設計一種由動態神經網絡結合擾動觀測器組成的復合控制器，以此跟蹤多目標無人船海上航跡，促使無人船實際航跡與預設航跡之間誤差最小，即可實現航跡的跟蹤控制[4]，提高無人船海上航行的安全性。首先，本文綜合考慮無人船控制過程中外部擾動問題，以此降低航行的安全風險，因此，將上述獲取的無人船海上多目標航跡規劃f(x)，作為復合控制器的一項輸入，則設計復合控制器公式為：

式中，S0表示復合控制器中動態神經網絡模塊的輸入；S0表示復合控制器中動態神經網絡模塊的輸出。無人船海上航跡多目標控制技術是將求解問題轉化為受約束的二次代價函數，為保證多目標的無人船可以穩定安全地按照規劃航跡航行，需要將無人船的規劃航跡控制向量與無人船狀態偏差當作復合控制器的輸入向量，當輸入向量經過復合控制器的動態神經網絡模塊時，可以預測各個無人船的狀態，進而實現無人船海上航跡的多目標跟蹤，輸出一個無人船海上航跡的規劃數據和實際數據之間偏差，作為復合控制器的控制律，再將其自動輸入控制器的擾動補償觀測器模塊，通過該模塊抑制擾動影響，從而降低無人船海上航跡規劃數據和實際數據之間的偏差，以此作為最終的控制信號，將其輸入待控制目標，完成無人船海上航跡多目標控制，從而降低無人船海上航行的安全風險，則更新后的無人船海上航跡多目標跟蹤控制為：

式中，ε表示無人船海上航跡規劃數據和實際數據之間的偏差，S'表示實際數據，表示控制器系數。

至此完成基于自主航行系統的無人船海上航跡多目標控制技術設計。

3 實驗分析

為驗證本文研究的基于自主航行系統的無人船海上航跡多目標控制技術的可行性與可靠性，本章將采用MATLAB軟件分析四個控制目標在交會場景下的跟蹤控制效果。本次實驗中，以本文設計方法為實驗組，并采用基于微分平滑的無人船海上航跡控制技術、基于耗散理論的無人船海上航跡控制技術為對照組，設定如下：無人船a、b、c、d在給定的區域內模擬海上航行，航行過程中作各目標勻速直線運動，整個航行過程中，無人船a會先后與無人船b、c、d相交會，交會是多目標在一定時間內接近后分離。在上述實驗場景中，分別采用實驗組與對照組方法控制無人船a、b、c、d進行航行，所得跟蹤控制結果如下圖所示：

圖1 無人船海上航跡跟蹤控制結果

上圖展示了無人船a、b、c、d在給定區域內全程的跟蹤控制航跡，從圖中可以看出，在無人船a、b、c、d交會前，無論是實驗組還是對照組方法，均可以較為精準地控制無人船按預設航跡航行，但是在無人船a、b、c、d交會后，兩種對照組方法下各無人船海上航跡跟蹤控制誤差明顯提升，實際航行軌跡嚴重偏離預設航跡，這主要是因為當多個無人船接近時，勢必會造成跟蹤門重疊，進一步引發航跡跟蹤控制誤差，可能導致船只發生碰撞，存在安全風險，但是本文設計方法在一定程度上可以改善無人船海上航跡多目標跟蹤控制誤差，無論是交會前還是交會后，各無人船航跡控制誤差幅度均較小，可以有效避免船只發生碰撞，從而避免安全事故的發生[5]。此外，為更直觀體現出本文研究技術的控制效果，在無人船a、b、c、d整個航行過程中，統計各方法下無人船海上航跡的累積跟蹤控制誤差，結果如下表所示：

表1 不同方法下無人船海上航跡跟蹤控制誤差

如表所示，在本文設計的無人船海上航跡多目標控制技術下，每一艘無人船的航跡累積跟蹤控制誤差平均值為82.4m，較對照組方法降低了43.4m、75.8m。由此可以說明，本文設計控制技術是有效且正確的，可以收獲較為理想的無人船海上航跡多目標控制效果。

4 結束語

為了降低無人船海上航跡多目標控制誤差，從而降低船只航行的安全風險，本文研究一種基于自主航行系統的無人船海上航跡多目標控制技術。海上自動駕駛是無人船的核心功能，而本文研究則是海上自動駕駛功能的重要組成部分，文中利用自主航行系統規劃了無人船海上航跡，構建一個復合控制器跟蹤多目標，從而控制無人船按規劃軌跡安全航行。通過實驗驗證了研究技術的跟蹤控制性能十分優越，可以滿足無人船海上航跡精準控制需求，從而提高無人船航行的安全性。