无人艇的目标跟踪策略研究

李 刚 龚 纯 胡 鹏

（1.哈尔滨工程大学，哈尔滨 150009；2中国舰船研究设计中心，武汉 430060）

目前，针对无人艇的航速和航向控制的研究已经开展了很长时间，产生了许多研究方法，如经典的PID控制技术以及各种改进的PID控制技术、李雅普诺夫（Lyapunov）直接法控制器设计、模糊控制技术、反步（Backstepping）控制器设计法、滑模变结构控制器设计、自适应控制器设计、神经网络控制器设计以及其他各种混合智能或基于智能优化算法改进的控制器设计。

1 无人水面艇的控制策略研究

1.1 USV的跟踪范围

由于无人水面艇执行跟踪的任务，配备了高检测范围的超感器，检测范围为L1；在跟踪过程中防止与目标船只距离过近暴露本船，设置一个安全的跟踪距离L2；为防止无人艇的航向与目标船只航向相对的情况，或者无人艇在跟踪过程中由于旋转偏角过大，导致旋回半径过大，目标丢失的情况，还要以目标船只航向为中心左右设置一个偏角θ，在这个偏角内，使目标丢失的几率很小。如图1所示，目标在B点，圆B以目标为圆心，安全距离L2为半径，圆L1以目标为圆心，检测范围L1为半径，直线OC为目标的航向。所以，当目标正常航行时，无人艇的跟踪区域为一个扇环，可以在扇环内任意位置航行。

图1 跟踪区域

图2 启动跟踪边界和最佳跟踪点

1.2 USV启动和停止跟踪

在整个跟踪过程中，有一个最佳跟踪点，如图2中的X点，它处在目标航向的正后方，距离为(L2+L1)/2的位置，该位置处在跟踪区域的中心点。当无人艇处在这个位置时，无人艇的运动方向水平自由度达到最大，同时，到达传感器检测范围的边界也有一定的距离空余，进行无运动监视的时间就能最长。停止跟踪时，尽量眼控制无人艇要到达此位置，便可以达到最好的跟踪效果。

2 无人艇控制算法研究

针对目标的跟踪策略，选取无人艇与目标的相对距离L，无人艇在目标航向上的偏差角度θ，两个参数作为区分各种情景依据。

图3 跟踪系统流程图

图4 航向计算图

无人艇的航向跟踪系统流程如图3所示，航向计算如图4所示，O为当前目标的位置，M为当前无人艇的位置，X为最佳跟踪点位置。a、b两条直线是平行线，都指向正北方向，θ为目标O的航向角，根据平行线定理知道b与直线OX的夹角也为θ，通过余弦定理可以求得γ，γ是无人艇原理上的航向。航向的左右在数值数值上通过正负表示，γ正负的判断通过，M和X的相对位置确定。无人艇在左，数值为正，反之为负。

由于无人艇在水面上的运动受到外界各种干扰，无人艇数学模型和真实情况存在差距，所以，在跟踪过程中，采用了模糊控制的算法进行航速的修正。将L、ΔL作为输入，无人艇的航速作为输出，考虑到风浪流对实际输出的影响，实时输出无人艇的位置，根据更新位置，再次进行模糊控制，不断修正航速数据，具体算法流程如图5所示。

图5 算法流程

3 仿真

在本文的仿真实验中，将海流对无人艇运动的干扰等效为3°的恒值干扰，而风浪对无人艇运动的干扰用白噪声和一个二阶波浪传递函数来表示，其表达式为：

式中，w(s)表示均值为零的高斯白噪声，功率谱密度为0.1，h(s)表示一个二阶海浪传递函数，表达式为：

其中，ω0表示主导海浪频率，ξ表示阻尼系数，Kω=2ξω0σω指的是增益常数，是描述波浪强度的常数。如果，Tω=8s，h1/3=2m，ξ=0.3时，Kω=0.1979，σm=0.544，ω0=0.606。

4 结论

根据仿真的实验结果可以看出模糊控制航速的方法实现了目标跟踪的效果，但在仿真过程中，为了数据的更新，采取36s数据刷新频率，如果数据刷新频率过低，很容易造成跟踪失败。