[发明专利]面向无人艇自主靠泊的运动控制方法

说明书

本发明公开了面向无人艇自主靠泊的运动控制方法，属于无人艇自主靠泊运动控制领域。步骤为：根据无人艇当前的靠泊状态确定当前控制系统模式；获取当前无人艇的实际速度或航向，获得航向或航速的控制偏差和偏差变化率；将其作为模糊控制器输入，结合当前控制系统模式选择合适的控制参数变化量并更新控制参数；将e(t)作为控制器输入，由控制器输出期望控制指令传递给执行器。本发明在传统PID控制器上进行改进，将控制器分成了两种模式——远端模式和近岸模式，加入自适应模糊控制规则，使其根据靠泊行为改变进行控制参数的动态自适应调整，解决欠驱动无人艇自主靠岸时的弱机动，大扰动以及强岸壁效应等影响下的运动控制难题。

技术领域

本发明属于无人艇自主靠泊运动控制领域，具体涉及面向无人艇自主靠泊的运动控制方法。

背景技术

无人艇是一种非线性的欠驱动控制系统，在自主靠泊时不仅面临着较大的环境干扰，还要受到因速度低导致的舵效差、因岸壁效应导致的扰动大等不利影响，因此对无人艇的自主靠泊控制是无人艇自动控制领域的一大难题。

公开日2017年7月21日，公开号CN106970636A，发明名称为“一种用于控制飞行器速率的控制系统及其控制方法”的专利申请用于控制飞行器速率，其控制系统包含常规PID控制器、模糊PID控制器和权重分配模块，其中的权重分配模块根据实际飞行环境对常规PID控制器和模糊PID控制器进行权重分配，实现二者的有效结合，在常态飞行时能够保证飞行的稳定性，在突发情况时能够提高自适应性。

但是飞行器的动力学特性及其所处工作环境与无人艇都显著不同，因此该方法不适用于无人艇的运动控制。

公开日2013年1月9日，公开号CN202663351U，发明名称为“基于模糊自适应PID控制器的伺服电机转速控制系统”的专利申请，系统包括位置模糊自适应PID控制器、速度模糊自适应PID控制器和电流模糊自适应PID控制器，响应快，超调少，精度高，参数自适应能力强，具有较好的抗干扰性和动态特性。

但该控制系统把电机作为研究对象，没有考虑无人艇动态靠泊行为变化的影响，在控制方法上同样缺乏针对性，无法直接应用于无人艇系统在低航速、环境力扰动下的高精度控制。

文献“基于模糊PID的水下机器人运动控制”中，尹梦舒等人提出一种基于模糊PID的控制器来解决水下机器人的纵向潜浮运动控制问题，同时在WEBOTS仿真环境中进行了仿真测试，并进行了真实环境的试验验证。

该方法虽然经过了试验验证，但是水下机器人做潜浮运动的工作环境相对无人艇的自主靠泊任务较为稳定，环境扰动较小；且该方法无法根据机器人工作时的具体情况对控制参数进行自适应在线调整，因此难以直接应用于无人艇的自主靠泊控制中。

总而言之，无人艇自主靠泊控制的难点在于：(1)在自主靠泊过程的远码头阶段，无人艇航速较高，此时如果不能保证控制器的稳定性和实时性，就无法在有限的时间内对无人艇的航速、航向进行有效控制，最终导致靠泊任务失败甚至发生事故。(2)而在码头末端的近岸阶段，无人艇的航速与航向则要尽可能地避免出现“超调”现象。对于航速而言，码头末端航速很低，假如出现超调，容易引起较大的轨迹跟踪误差(即实际轨迹震荡)，进而导致期望艏向出现“180度大反转”的现象；对于航向而言，由于航速低导致舵效差，航向一旦超调，在极其有限的空间内难以进行艏向修正；而且泊位一般距离岸边很近，艏向超调易于导致无人艇撞上码头，发生事故。而传统的PID控制器是一种基于离线数据的数据驱动控制算法，无法根据实际情况进行在线调整，其运动控制性能难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分别针对不同的控制要求对模糊控制器的参数进行在线自适应调节的面向无人艇自主靠泊的运动控制方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

面向无人艇自主靠泊的运动控制方法，包括以下步骤：