船舶航迹控制研究综述_戚爱春

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(Trajectory Tracking，TT)和路径跟踪(Path Following，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

2.1 TT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。

2.2 PF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

图1 航迹分类

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