船舶航迹控制研究综述

-104-科研发展船舶航迹控制研究综述　　　江苏镇江比太系统工程有限公司　戚爱春　庄肖波【摘要】航迹跟踪控制是指在控制系统的驱动下，船舶从任意初始位置驶入预先规划好的航线，并沿此航线最终抵达目的地。本文主要研究了船舶航迹控制问题中的轨迹跟踪、路径跟踪、直线航迹跟踪等问题，所得到的结果对于研究船舶航迹控制问题具有一定指导意义。【关键词】航迹控制；直线航迹1.船舶航迹控制概述航迹跟踪控制是指在控制系统的驱动下，船舶从任意初始位置驶入预先规划好的航线，并沿此航线最终抵达目的地。近年来，船舶航迹控制问题引起了学术界的广泛关注，并取得了较多的理论研究成果。现存的大部分文献所提出的控制算法都依赖于精确的系统模型，且在建模过程中通常要进行适当的、合理的假设。在对船舶航迹控制系统建模过程中，如果忽略船舶的横移以及流的干扰，则相应的船舶直线航迹控制问题比较容易解决，且能保证较好的控制性能；如果考虑船舶的横向漂移以及流的干扰，则相应的问题会比较复杂，且现有文献中的研究结果还不是很成熟[2]。根据跟踪状态偏差与时间的关系，航迹跟踪可分为轨迹跟踪(TrajectoryTracking，TT)和路径跟踪(PathFollowing，PF)两大类[1]。在实际航行中，大多数航迹跟踪控制都属于PF问题，即不关心航速或时间。TT问题要求系统在指定时间到达指定位置，而PF问题则是不考虑时间的几何位置跟踪。根据航迹线的几何形状的不同，航迹跟踪控制问题又可以分为直线航迹跟踪控制和曲线航迹跟踪控制两大类。如图1所示，航迹大体上可分为四种：大洋上的航迹一般属于第一类航迹；当船舶跟踪包括转向点在内的航迹时，属于2、3类航迹；航迹3往往是在浅水区航行时采用；航迹4用于采矿、挖掘等作业。为确保航行安全，通常在航迹两侧划出一定宽度的偏差带作为航迹跟踪的允许误差。航迹跟踪问题可分解为三个问题：(1)初始进入时要求快速返回航迹；(2)直线段航迹时要求高精度保持航迹；(3)航迹转向点附近的转向问题。下面，我们将讨论几种主要的航迹控制策略。2.船舶航迹控制策略综述2.1TT问题在TT系统中，虚拟目标点所产生的系统状态偏差仅是依赖于时间的函数，它按照预定计划在航线上持续运动，与当前系统状态不相隶属。如果我们考虑较大的外部干扰时，系统跟踪误差可能会超过使系统保持稳定的最低界限。处理TT问题的常见方法包括状态反馈、输出反馈、输出重定义和级联设计等[1]。下面对各种方法做简单介绍。(1)状态反馈方法1998年，Pettersen首次提出了基于非线性模型的完全状态跟踪控制器，但只能全局指数稳定到期望轨迹任意小的邻域内。基于导航原理中的Los(Line-of-Sight，瞄准线)方法，将期望航向角定义为航迹偏差的函数，从而实现了航向角的指数收敛。通过利用艏摇转矩同时控制航向和横荡位移，提出了全状态反馈控制律。外部环境干扰对船舶航迹控制问题具有较大的负面影响，但是文献[3]并没有考虑这种影响。(2)输出反馈方法输出反馈控制既不改变系统的能控性也不改变能观性，且在工程上易于实现，因而被较多地应用到船舶航迹控制过程中。利用反馈线性化和反步法，Godhavn于1996年提出了全局指数跟踪圆弧和直线轨迹的控制器。Toussaint将Godhavn的工作推广到一般性作用力驱动下的船舶。利用非线性观测器提出一种输出反馈控制器，并进行了实船模型仿真实验。通过坐标变换，将虚拟船舶坐标系下的跟踪误差转换为三角形式，从而消除了船舶动力学中的速度交叉项，较好地实现了全局指数速度观测器设计。(3)输出重定义方法基于输入输出线性化技术，并采用重定义输出变量的思想，文献[3]建立了欠驱动水面舰艇直线航迹控制系统的非线性数学模型，并提出了一种状态反馈控制律设计方法。利用李雅普诺夫直接法进行稳定性分析，得到了保证系统全局渐近稳定的充分条件。数字仿真和模拟实验结果均表明所提出的充分条件能够保证船舶航迹控制全局渐近稳定，设计的控制律具有比较理想的控制效果。虽然上述文献取得了较好的成果，但是它们都忽略了欠驱动水面舰艇的横向漂移。在考虑船舶横漂的情况下，以上方法只能保证直线航迹偏差的有界性，而不能保证闭环系统的渐近稳定性；同时，以上方法不能应用于船舶的曲线航迹跟踪控制。2.2PF问题在PF问题中，所建立的跟踪状态偏差是系统状态与参考路径之间的一种函数映射关系，本身与时间并无直接关系。在考虑外部扰动的情况下，目标点位置与姿态能够保持不变，且能够保证系统的稳定性。考虑到PF系统具有好的鲁棒性，该问题己成为当前研究的重点。(1)数学模型的精度船舶运动数学模型的复杂性主要表现在控制输入力/力矩、船体粘性水动力以及外界干扰的高度非线性和耦合性。在非对角线项和环境干扰的作用下，如何设计控制器，从而使得欠驱动水面船舶全局跟踪由虚拟船舶产生的参考轨迹，是一个十分有研究价值的问题。利用李雅普诺夫理论发展了一个全局k-指数稳定直线参考轨迹的控制器。由于舷摇速度和横移速度的测量经常受噪声干扰，文中通过测量横向位移和舷摇角来估计未知状态。提出了一种基于无色卡尔曼滤波器的跟踪控制器，通过在线更新不确定参数的估计值，避免了参数漂移，并使得船舶位置和航向误差收敛到原点的任意小的邻域内。船舶位置和航向通常由DGPS和罗经直接测量，航速由测得的位置量间接获得。而船舶位置的测量易受噪声干扰，通过位置量来获取速度量并不是十分有效。基于此，解除上述所有假设，通过选择合适的附体坐标系原点，避免舷摇力矩控制量直接作用于横荡动力学，提出了速度不可测量时设计全局控制器的新方法，所提出的方法可以使得欠驱动水面船舶跟踪光滑路径。(2)其他问题鲁棒PF问题在船舶工业上具有重要的现实意义。应用Lipschitz连续投影算法更新未知参数的估计值，提出了非线性鲁棒自适应控制策略，该控制策略可以使得欠驱动水面船舶以期望速度跟踪预先设定的路径。为此，提出了一种利用路径的一切有用的几何信息的基于指导的PF方案。通过将位置和时间的要求分离为两个独立的任务，文献[12]中的方法能够适用于大多数海、陆、空运载工具。2.3船舶直线航迹跟踪讨论了欠驱动船舶直线航迹控制问题。针对船舶的直线航迹跟踪问题。基于导航原理中的瞄准线方法(Line-of-Sight)来设定期望航向角，并将其定义为航迹偏差的函数，使航向角变量收敛。利用非线性观测器设计了一种输出反馈控制器，在有风、浪、流等外界干扰的情况下，所设计的控制器能全局稳定跟踪直线航迹。结合李亚普诺夫函数直接法进行稳定性分析，周岗等得到了保证全局渐进稳定的充分条件。利用首摇转矩同时控制船舶横偏位移和航向，Pettersen设计了一种基于非线性模型的全局状态跟踪控制器。基于重定义输出和Backstepping技术，Do等提出了全局指数稳定直线航迹状态及输出反馈控制律。李铁山利用重定义思想和输入输出线性化、Nussbaum增益技术、自适应积分Backstepping技术、耗散理论等方法对直线航迹跟踪控制非线性设计进行了深入研究。讨论了利用神经网络学习理论结合PID算法而形成的神经元自适应PSD、神经元PID和神经网络PID控制算法并将之应用到了船舶的航向控制中。仿真结果表明，在存在海风、海浪和海流干扰情况下，这种方法都能达到1234图1 航迹分类-105-》》科研发展明显比传统的PID算法更好的航向控制效果。Encarnacao等提出一种针对四阶船舶模型在海流干扰下的控制算法。将Nussbaum技术融入Backstepping方法，提出一种鲁棒自适应模糊控制算法，所提出的算法可以使得船舶的航迹偏差以指数速率渐进收敛到零点的一个较小邻域。在船舶直线航迹控制中，解决海流等外界干扰引起的航迹偏差一直是难点也是热点。3.结论近年来，船舶航迹控制的理论研究已经取得了突破性的进展，理论成果颇丰。航迹控制的难点在于船舶模型具有欠驱动特性。当船舶受到风、浪、流等外界干扰时，船舶的位置将偏离预先设定的轨迹，因此不能采用静态反馈线性化的方法来处理。本文主要研究了船舶航迹控制问题中的轨迹跟踪、路径跟踪、直线航迹跟踪等问题，所得到的结果对于工程实践具有一定的指导意义。参考文献[1]汪洋.基于动态神经模糊模型的欠驱动水面船舶运动控制[D].大连海事大学博士学位论文,2010.[2]刘勇.欠驱动船舶直线航迹控制[D].大连海事大学硕士学位论文,2011.[3]李铁山,杨盐生,郑云峰.不完全驱动船舶航迹控制输入输出线性化设计[J].系统工程与电子技术,2004,26(7):945-948.作者简介：戚爱春（1975—），女，山东临沂人，江苏镇江比太系统工程有限公司工程师。庄肖波（1973—），男，江苏镇江比太系统工程有限公司高级工程师。具有语音和多机组网功能的红外测温仪济南大学自动化与电气工程学院刘小强徐正鹏【摘要】本系统采用TI公司生产的MSP430F149单片机和凌阳公司的SPCE061A单片机实现。MSP430F149因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，在国内越来越受到用户的重视和广泛的运用。该红外测温仪运用单片机与PC机通信技术，通过巧妙的软件设计和硬件电路，及其凌阳单片机强大的语音功能实现了温度的采集、语音播报及其PC机对下位机的监控及其数据的存储。温度信号由ANT-OTP-538U热电堆传感器和电压放大温度补偿电路处理后提供。同时，具有温度数字语音播报和显示。【关键词】MSP430F149；红外测温仪；语音播报；下位机；ANT-OTP-538U在学校、火车站、机场等人流量非常大的场所经常需要对所输送得人群进行安检，在特殊时期还需要对人群的健康状况进行检查并存档，体温测量是最主要的检测手段之一。传统的接触式测量体温的方式需要消耗大量的时间，对于这种人流量非常大的场合如果采用这种测温方式将会造成大量的乘客滞留，浪费乘客大量的时间给乘客带来极大地不便。并且采集的温度数据还需要存入数据库对数据进行存档，如果有人工来完成这将带来非常庞大的工作量。我们设计的基于MSP430F149单片机多机组网的人体红外测温仪很好的克服了以上缺点。该系统是采用一主多从的RS485连接方式将PC主机与多片MSP430F149单片机组网，从机将采集的温度数据在LCD12864液晶实时显示并将其发送到PC主机上对数据进行统一存储处理。系统同时还采用了具有强大语音功能的凌阳SPCE061A单片机将发送来的温度数据进行语音播报提示。1.系统硬件设计该红外测温仪主要由主控器、ANT-OTP-538U红外线热电堆传感器、放大单元和冷端补偿单元、LCD12864显示、上位机、PC机等模块组成。系统硬件框图如图1所示。1.1主控器模块MSP430F149是测温仪的控制中心，完成传感器数据结果处理、液晶显示、串口通信的管理等。其主要特点是：超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD驱动器及高抗干扰能力等。因此，MSP430单片机特别适合应用在智能仪表、防盗系统、智能家电、电池供电便携式设备等产品中。该芯片性能特点如下：低工作电压(1.8-3.6V)；超低功耗(工作模式4下耗电仅为Aµ1.0)；16位RISC(精简指令集计算机结构)；125ns指令周期。1.2传感器电路设计1.2.1温度感测原理使用的ANT-OTP-538U红外线热电堆温度传感器利用了西贝克效应和汤普森效应作为温度感测的原理。西贝克效应是将两种不同材质金属以熔接方式将其两端加以结合，而其两端温度不同时则有连续电流产生，于是便可以在其两端的冷热点两出一电动势，可以用作温度上的感测。汤普森效应即是利用其两端温度差越大，输出的电动势越大的原理，经由电压及温度差的关系式即可得知待测物的温度。目前市场上常见的热电偶及热电堆即是即是一这些特性制作而成的组件。1.2.2传感器温度补偿(1)温度补偿电路的设计热电堆传感器随室温改变所需的温度补偿电压值可以从传感器的数据手册上可以获得。利用Protues仿真软件，确定出惠斯通电桥上的电阻，是惠斯通电桥的输出电压与温度补偿电压值相同，因此惠斯通电桥上的电阻选用R1=300kΩ、R2=155kΩ