水面无人艇路径控制技术
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第 41 卷 第 12 期 2019 年 12 月
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 41, No. 12 Dec. , 2019
水面无人艇路径控制技术
陈天宇1，杜广义1，郭 璇2 (1. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214001；2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430070)
CHWEN Tian-yu1, DU Guang-yi1, GUO Xuan2 (1. China ship scientific research Center, Wuxi 214001, China; 2. Wuhan university of technolog, Wuhan 430070, China)
目前基于平静水域的无人艇自主航行控制技术已
经逐渐成熟，但是在风浪流干扰下的水面无人艇自主 航行路径控制技术尚处于起步阶段。本文以水面无人 艇应用发展为需求牵引，以实现水面艇智能化、无人 化航行为技术驱动，将某 7 米级小艇作为研究对象， 通过多物理场影响下无人艇水动力学仿真建模分析技 术与实船试验验证技术相结合的方式，设计水面无人 艇路径控制算法，并进行实艇试验验证。
关键词：无人艇；操纵性试验；路径控制
中图分类号：U664.82 文献标识码：A
பைடு நூலகம்
文章编号： 1672 – 7649(2019)12 – 0133 – 07
doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.12.027
The movement track and control technique of unmanned surface vehicle
Key words: USV；track control technique；maneuverability test
0 引 言
美国、以色列、日本、法国等国在无人艇领域的 研究已经取得了相当的成果[1 – 5]，其中具有代表性的如 美国的 Spartan、以色列的 Protector 等。对于无人艇的 路径控制，相关学者已做出了相当多的研究。董早鹏等[6] 提出了一种自适应 T-S（Takagi-Sugeno）模糊神经网络 控制方法，研究了欠驱动无人艇的直线航迹跟踪控制 问题。庄佳园等[7] 针对水面无人艇全局路径规划问 题，提出一种基于电子海图的距离寻优 Dijkstra 算法， 用以生成安全合理的航线。王常顺等[8] 针对欠驱动无 人艇非线性系统，设计了一种参数在线优化的路径跟 踪自抗扰控制器，仿真试验表明该方法具有良好的稳 定性和鲁棒性。彭艳等[9] 针对无人艇设计了 GPC-PID 串级控制器，通过航向控制间接实现无人艇的航迹跟 踪控制。
摘 要: 水面无人艇受风、浪、流的影响，因此对航行安全至关重要的实艇运动路径控制方法变得十分复 杂。本文选取改造后的 7 m 小艇进行操纵性试验，测定操纵相关系数。基于实艇试验和数值仿真计算的结果，结合 风、浪、流干扰模型，建立一套水面无人艇路径控制方法。最后进行了相应的实艇试验，验证了本文方法的有效性。
人艇各方向相对应的惯性主轴。无人艇运动和受力相 对各轴分解如表 1 所示。
表 1 无人艇参数表 Tab. 1 The USV parameter list
矢量
x轴
y轴
z轴
速度V
u
v
w
角速度Ω
p
q
r
力F
X
Y
Z
力矩M
K
M
N
图 1 无人船运动控制系统总体架构 Fig. 1 The total framework of USV control system 路径控制系统采用 LOS 控制算法 ， [10] 是将路径规 划模块生成的轨迹曲线分解为多段小的直线路径，通 过完成每一段小路径，进而实现路径控制。该方法可 以减小风、浪、流等因素对无人艇航行的干扰，同时可 以避免频繁操舵，适用于本文无人艇大航程航行的需求。
1 无人艇操纵控制系统总体架构
无人艇航行控制系统的主要功能是控制和优化艇 的运动姿态和状态，使无人艇在风、浪、流等环境因 素影响下能够按照系统规划出的目标航向、航速及路 径等指令完成各种工作使命。
本文基于无人艇的水动力学模型，考虑风、浪、 流等环境因素干扰，以自主规划系统输出的最优目标 值和感知系统反馈信号为输入，设计自适应控制器， 生成主机、舵机的动作控制信号，从而控制艇的运
Abstract: The movement track and control technique of unmanned surface vehicle (USV) are so complicated by the wind, wave and current, that the control method is crucial for the navigation safety of the USV. A seven meters boat with advanced radar, optronics system, inertial navigation system was applied as the unmanned surface vehicle to finish the autonomous navigation test. Theoretically, the new motion control method in regard to the boat movement track based numerical simulation results, actual measurement results, and environment interference models. The results of full scale testing for the autonomous navigation can be applied for the unmanned surface vehicle intelligent operation.
收稿日期: 2019 – 08 – 15 作者简介: 陈天宇 (1986 – )，男，硕士，中国船舶科学研究中心，高级工程师，主要从事实船性能试验及技术开发等方面的研究
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舰船科学技术
第 41 卷
动。无人船的运动控制系统主要由基于 MPC 预测控制 算法的航向控制、基于模糊 PID 控制算法的航速控制 和基于 LOS 控制算法的路径控制 3 个子控制模块构 成，如图 1 所示。
舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vol. 41, No. 12 Dec. , 2019
水面无人艇路径控制技术
陈天宇1，杜广义1，郭 璇2 (1. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214001；2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430070)
CHWEN Tian-yu1, DU Guang-yi1, GUO Xuan2 (1. China ship scientific research Center, Wuxi 214001, China; 2. Wuhan university of technolog, Wuhan 430070, China)
目前基于平静水域的无人艇自主航行控制技术已
经逐渐成熟，但是在风浪流干扰下的水面无人艇自主 航行路径控制技术尚处于起步阶段。本文以水面无人 艇应用发展为需求牵引，以实现水面艇智能化、无人 化航行为技术驱动，将某 7 米级小艇作为研究对象， 通过多物理场影响下无人艇水动力学仿真建模分析技 术与实船试验验证技术相结合的方式，设计水面无人 艇路径控制算法，并进行实艇试验验证。
关键词：无人艇；操纵性试验；路径控制
中图分类号：U664.82 文献标识码：A
பைடு நூலகம்
文章编号： 1672 – 7649(2019)12 – 0133 – 07
doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.12.027
The movement track and control technique of unmanned surface vehicle
Key words: USV；track control technique；maneuverability test
0 引 言
美国、以色列、日本、法国等国在无人艇领域的 研究已经取得了相当的成果[1 – 5]，其中具有代表性的如 美国的 Spartan、以色列的 Protector 等。对于无人艇的 路径控制，相关学者已做出了相当多的研究。董早鹏等[6] 提出了一种自适应 T-S（Takagi-Sugeno）模糊神经网络 控制方法，研究了欠驱动无人艇的直线航迹跟踪控制 问题。庄佳园等[7] 针对水面无人艇全局路径规划问 题，提出一种基于电子海图的距离寻优 Dijkstra 算法， 用以生成安全合理的航线。王常顺等[8] 针对欠驱动无 人艇非线性系统，设计了一种参数在线优化的路径跟 踪自抗扰控制器，仿真试验表明该方法具有良好的稳 定性和鲁棒性。彭艳等[9] 针对无人艇设计了 GPC-PID 串级控制器，通过航向控制间接实现无人艇的航迹跟 踪控制。
摘 要: 水面无人艇受风、浪、流的影响，因此对航行安全至关重要的实艇运动路径控制方法变得十分复 杂。本文选取改造后的 7 m 小艇进行操纵性试验，测定操纵相关系数。基于实艇试验和数值仿真计算的结果，结合 风、浪、流干扰模型，建立一套水面无人艇路径控制方法。最后进行了相应的实艇试验，验证了本文方法的有效性。
人艇各方向相对应的惯性主轴。无人艇运动和受力相 对各轴分解如表 1 所示。
表 1 无人艇参数表 Tab. 1 The USV parameter list
矢量
x轴
y轴
z轴
速度V
u
v
w
角速度Ω
p
q
r
力F
X
Y
Z
力矩M
K
M
N
图 1 无人船运动控制系统总体架构 Fig. 1 The total framework of USV control system 路径控制系统采用 LOS 控制算法 ， [10] 是将路径规 划模块生成的轨迹曲线分解为多段小的直线路径，通 过完成每一段小路径，进而实现路径控制。该方法可 以减小风、浪、流等因素对无人艇航行的干扰，同时可 以避免频繁操舵，适用于本文无人艇大航程航行的需求。
1 无人艇操纵控制系统总体架构
无人艇航行控制系统的主要功能是控制和优化艇 的运动姿态和状态，使无人艇在风、浪、流等环境因 素影响下能够按照系统规划出的目标航向、航速及路 径等指令完成各种工作使命。
本文基于无人艇的水动力学模型，考虑风、浪、 流等环境因素干扰，以自主规划系统输出的最优目标 值和感知系统反馈信号为输入，设计自适应控制器， 生成主机、舵机的动作控制信号，从而控制艇的运
Abstract: The movement track and control technique of unmanned surface vehicle (USV) are so complicated by the wind, wave and current, that the control method is crucial for the navigation safety of the USV. A seven meters boat with advanced radar, optronics system, inertial navigation system was applied as the unmanned surface vehicle to finish the autonomous navigation test. Theoretically, the new motion control method in regard to the boat movement track based numerical simulation results, actual measurement results, and environment interference models. The results of full scale testing for the autonomous navigation can be applied for the unmanned surface vehicle intelligent operation.
收稿日期: 2019 – 08 – 15 作者简介: 陈天宇 (1986 – )，男，硕士，中国船舶科学研究中心，高级工程师，主要从事实船性能试验及技术开发等方面的研究
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舰船科学技术
第 41 卷
动。无人船的运动控制系统主要由基于 MPC 预测控制 算法的航向控制、基于模糊 PID 控制算法的航速控制 和基于 LOS 控制算法的路径控制 3 个子控制模块构 成，如图 1 所示。