摘 要： 為解決自主水下航行器AUV航跡控制問題，提出了一種基于模糊增益調節的模糊自校正控制方法。該方法完全使用馬丹尼型模糊控制器實現，包括1個基本模糊控制器和3個模糊增益調節裝置。基本模糊控制器用于實現AUV航跡保持，模糊增益調節裝置為基本模糊控制器提供可以實時調整的量化因子。分別對模糊自校正控制方法和基本模糊控制方法進行了對比仿真試驗，試驗結果顯示模糊自校正控制方法相比于基本模糊控制方法，其控制效果更好，特別是對海流擾動具有更強的適應性。
關鍵詞： 自主水下航行器；模糊控制；模糊增益調節；航跡控制
為了盡快到達目標位置并盡可能節省燃料，一般要求水下航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)以一定速度作直線航行，本文所提航跡控制就是指相鄰轉向節點之間直線航行階段的航跡保持。AUV作為一種典型的非線性控制對象，其控制具有兩個主要特點：一是控制對象的嚴重不確定性；二是水下海流擾動大且不可預知。應用傳統控制方法時需要得到AUV在不同工作條件下的精確數學模型，相比傳統控制方法，模糊控制不依賴于對象的數學模型，可以適應AUV控制的需要。近年來，國內外研究人員將模糊控制應用于水下航行器并取得了豐碩的成果。參考文獻[1]中的AUV修改學習實時T-S模糊控制器的模糊模型并通過結合一個模糊目標進行拓展，提高了控制精度和適應性；參考文獻[2]為AUV水平面運動提出了一種新的分層模糊/李雅普諾夫控制方法；參考文獻[3]設計了一種簡單有效的深潛救生艇模糊控制器；參考文獻[4]給出了使用模糊控制器的AUV模糊模型和數學模型的數值仿真結果。本文采用模糊控制方法，一不依賴其數學模型，不受其工作條件限制；二為獲得更好的控制效果并克服海流擾動的影響，引入模糊增益調節方法作進一步的優化。最后通過對比仿真驗證了該方法的控制效果。
基于模糊增益調節的模糊自校正AUV航跡控制方法的原理框圖如圖1所示。
2.2 模糊增益調節裝置
為克服海流擾動影響并獲得更好的控制效果，引入該模糊增益調節裝置，即對基本模糊控制器量化因子的模糊優化方法。該方法也是一種馬丹尼型模糊控制器，有兩個控制輸入量：距離d和偏航角ψ以及一個輸出量：增益k。其完整控制規則定義如表2所示。
表2中模糊語言變量為：ZE：零；NE：負；PE：正。這組規則同時適用于ke、kr和ky。模糊增益調節裝置采用取大-取小近似推理和模糊蘊含規則實現輸入量的模糊化；采用面積中心法實現輸出量的清晰化[8]。其輸入變量距離d和偏航角?追以及輸出變量增益k的隸屬度函數分別如圖3～圖5所示。
3 仿真結果與分析
為更好地說明模糊自校正航跡控制方法的優勢，這里給出該模糊自校正控制與基本模糊控制的仿真結果，并進行比較，仿真條件統一設定為在垂直于AUV航向的海流擾動作用下，沿預定航跡航行600 m，仿真時間為310 s。圖6所示為基本模糊控制器和模糊自校正控制器的仿真軌跡比較圖。
海流擾動在仿真開始20 s后加入。由圖6中可以看出，在相同條件下，基本模糊控制方法偏離目標航跡的最大距離為18 m，且航行軌跡不夠平滑；而模糊自校正自動駕駛儀偏離目標航跡的最大距離為15 m，且航行軌跡非常平滑。仿真結束時，二者都能夠使AUV基本達到目標航跡的轉向節點。仿真結果顯示，在海流干擾條件下模糊自校正控制器和基本模糊控制器都能控制AUV實時調整航向駛向目標航跡的轉向節點以實現航跡保持；但模糊自校正控制器相對于基本模糊控制器對海流擾動的適應性更強且具有更好的控制效果。
本文在一種基本AUV航跡模糊控制方法的基礎上，引入模糊增益調節方法對其量化因子進行實時優化，提出了一種模糊自校正AUV航跡控制方法，并對兩者進行了比較。在海流擾動的作用下，基本AUV航跡模糊控制方法的控制效果并不理想，而模糊自校正AUV航跡控制方法具有更好的控制效果，特別是對海流擾動具有更強的適應性。結果表明，應用該模糊自校正控制方法為AUV設計航跡控制器是完全可行的。
參考文獻
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