波浪环境下无人水面艇改进MFAC节能控制方法

魏佳广; 张拓圣; 辛筠炜; 李怀亮; 张西伟

doi:10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0040

波浪环境下无人水面艇改进MFAC节能控制方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0040

1.
海洋石油工程股份有限公司工程技术中心, 天津, 300461
2.
哈尔滨工程大学智能海洋航行器技术全国重点实验室, 黑龙江哈尔滨, 15001

基金项目: 国家重点研发计划(2021YFC2801300).

详细信息

作者简介:
魏佳广(1986-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为海洋无人平台技术

通讯作者:
张拓圣(1999-), 男, 在读博士, 主要研究方向为海洋机器人运动控制

中图分类号: U664.82; TJ630
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出版历程
- 收稿日期: 2023-04-15
- 修回日期: 2023-07-06
- 录用日期: 2023-07-12
- 网络出版日期: 2024-01-18

An Improved MFAC Energy Saving Control Method for USVs in Wave Environments

1.
Engineering Technology Center, Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300461, China
2.
National Key Laboratory of Autonomous Marine Vehicle Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

摘要

摘要: 无人水面艇在运动过程中容易受到环境干扰的影响, 尤其在受到波浪干扰后会导致其运动控制偏离期望路径, 进而造成能量浪费。针对波浪环境下固定参数控制器对环境适应能力较弱的问题, 将模糊控制方法与重定义无模型自适应控制方法相结合, 设计了一种模糊重定义无模型自适应控制(FRMFAC)算法, 该算法可以根据不同波浪的干扰情况自行调整控制参数; 同时, 采用视线法与FRMFAC算法对无人艇进行路径跟随控制；最后, 通过与固定参数控制方法进行对比试验, 验证了该算法的有效性和节能效果。对比仿真结果可知, 使用可变参数的控制方法可以在有效提高无人艇对环境适应能力的同时起到节能效果。
- 无人水面艇 /
- 运动控制 /
- 无模型自适应控制 /
- 波浪干扰
Abstract: Unmanned surface vessels(USVs) are subjected to environmental disturbance in the process of movement. In particular, after being disturbed by waves, its motion control will deviate from the expected path, resulting in a waste of energy. In response to the problem of weak adaptability of fixed parameter controllers to the wave environment, the fuzzy control method was combined with the redefined model-free adaptive control(MFAC) method, and a fuzzy redefined MFAC(FRMFAC) algorithm was designed, which could adjust the control parameters according to the disturbance of different waves. At the same time, the line-of-sight method and FRMFAC algorithm were used to control the path following of USVs. Finally, compared with the fixed parameter control method, the effectiveness and energy saving effect of FRMFAC were verified. The simulation results show that the control method with variable parameters can effectively improve the adaptability of USVs to the environment and save energy.
- unmanned surface vessel /
- motion control /
- model-free adaptive control /
- wave disturbance

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图 1 惯性坐标系和船体坐标系

Figure 1. Inertial coordinate system and hull coordinate system of ship

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图 2 PM波能谱密度曲线

Figure 2. Curves of PM wave energy spectral density

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图 3 实时波浪仿真

Figure 3. Simulation of real time wave

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图 4 不同波高时无人艇回转轨迹

Figure 4. The rotation trajectory of the unmanned surface vessel at different wave heights

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图 5 RMFAC原理图

Figure 5. Principle of RMFAC method

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图 6 不同重定义输出增益仿真对比

Figure 6. Simulation comparison of different redefined output gains

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图 7 FRMFAC原理图

Figure 7. Principle of FRMFAC method

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图 8 ${K_1}$三维曲面图

Figure 8. Three-dimensional surface diagram of ${K_1}$

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图 9 无人艇路径跟踪示意图

Figure 9. Schematic diagram of of path tracking

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图 10 不同波高下控制仿真结果

Figure 10. Simulation results of different control methods at different wave heights

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图 11 H=0.2 m时舵机提供的转艏力矩

Figure 11. Bow turning moment provided by steering gear at H=0.2 m

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表 1 ${K_1}$模糊控制规则

Table 1. ${K_1}$ Fuzzy control rules

H	$\chi $
H	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
ZO	PM	PM	PM	PS	NS	NS	NS
PS	PM	PS	ZO	NS	NM	NB	NB
PM	PS	ZO	NS	NS	NM	NM	NB
PB	ZO	NS	NS	NM	NM	NM	NB

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表 2 不同控制方法的RMSE

Table 2. RMSE with different control methods

波高/m	R_RMSE/m
波高/m	PID	RMFAC	FRMFAC
0.0	0.998	1.157	1.224
0.2	0.994	1.159	1.188
0.4	1.032	1.158	1.179
0.6	1.120	1.206	1.180

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表 3 跟踪圆形轨迹一周舵机的能耗情况

Table 3. Energy consumption of tracking circular trajectories one turn

波高/m	PID	RMFAC		FRMFAC
波高/m	PID	能耗	节能效率/%	能耗	节能效率/%
0.0	39.50	30.55	22.7	28.67	27.4
0.2	41.22	31.37	23.9	29.15	29.3
0.4	45.51	31.74	30.3	31.25	31.3
0.6	49.52	44.95	9.23	40.14	18.9

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