摘  要： 為解決自主水下航行器AUV航跡控制問(wèn)題,，提出了一種基于模糊增益調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn),，包括1個(gè)基本模糊控制器和3個(gè)模糊增益調(diào)節(jié)裝置,。基本模糊控制器用于實(shí)現(xiàn)AUV航跡保持,，模糊增益調(diào)節(jié)裝置為基本模糊控制器提供可以實(shí)時(shí)調(diào)整的量化因子,。分別對(duì)模糊自校正控制方法和基本模糊控制方法進(jìn)行了對(duì)比仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(duì)海流擾動(dòng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性,。
關(guān)鍵詞： 自主水下航行器；模糊控制,；模糊增益調(diào)節(jié),；航跡控制

    為了盡快到達(dá)目標(biāo)位置并盡可能節(jié)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(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)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(duì)象，其控制具有兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是控制對(duì)象的嚴(yán)重不確定性,；二是水下海流擾動(dòng)大且不可預(yù)知,。應(yīng)用傳統(tǒng)控制方法時(shí)需要得到AUV在不同工作條件下的精確數(shù)學(xué)模型，相比傳統(tǒng)控制方法,，模糊控制不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,，可以適應(yīng)AUV控制的需要。近年來(lái),，國(guó)內(nèi)外研究人員將模糊控制應(yīng)用于水下航行器并取得了豐碩的成果,。參考文獻(xiàn)[1]中的AUV修改學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)T-S模糊控制器的模糊模型并通過(guò)結(jié)合一個(gè)模糊目標(biāo)進(jìn)行拓展，提高了控制精度和適應(yīng)性,；參考文獻(xiàn)[2]為AUV水平面運(yùn)動(dòng)提出了一種新的分層模糊/李雅普諾夫控制方法,；參考文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的深潛救生艇模糊控制器；參考文獻(xiàn)[4]給出了使用模糊控制器的AUV模糊模型和數(shù)學(xué)模型的數(shù)值仿真結(jié)果,。本文采用模糊控制方法,，一不依賴其數(shù)學(xué)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(dòng)的影響,，引入模糊增益調(diào)節(jié)方法作進(jìn)一步的優(yōu)化。最后通過(guò)對(duì)比仿真驗(yàn)證了該方法的控制效果,。

    基于模糊增益調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)裝置
    為克服海流擾動(dòng)影響并獲得更好的控制效果，引入該模糊增益調(diào)節(jié)裝置,，即對(duì)基本模糊控制器量化因子的模糊優(yōu)化方法,。該方法也是一種馬丹尼型模糊控制器，有兩個(gè)控制輸入量：距離d和偏航角ψ以及一個(gè)輸出量：增益k,。其完整控制規(guī)則定義如表2所示,。
    表2中模糊語(yǔ)言變量為：ZE：零；NE：負(fù),；PE：正。這組規(guī)則同時(shí)適用于ke,、kr和ky,。模糊增益調(diào)節(jié)裝置采用取大-取小近似推理和模糊蘊(yùn)含規(guī)則實(shí)現(xiàn)輸入量的模糊化,；采用面積中心法實(shí)現(xiàn)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(shù)分別如圖3～圖5所示,。

3 仿真結(jié)果與分析
    為更好地說(shuō)明模糊自校正航跡控制方法的優(yōu)勢(shì),，這里給出該模糊自校正控制與基本模糊控制的仿真結(jié)果，并進(jìn)行比較,，仿真條件統(tǒng)一設(shè)定為在垂直于AUV航向的海流擾動(dòng)作用下,，沿預(yù)定航跡航行600 m，仿真時(shí)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(dòng)在仿真開(kāi)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(biāo)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(dòng)駕駛儀偏離目標(biāo)航跡的最大距離為15 m,，且航行軌跡非常平滑。仿真結(jié)束時(shí),，二者都能夠使AUV基本達(dá)到目標(biāo)航跡的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn),。仿真結(jié)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(shí)時(shí)調(diào)整航向駛向目標(biāo)航跡的轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)航跡保持,；但模糊自校正控制器相對(duì)于基本模糊控制器對(duì)海流擾動(dòng)的適應(yīng)性更強(qiáng)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(chǔ)上，引入模糊增益調(diào)節(jié)方法對(duì)其量化因子進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化,，提出了一種模糊自校正AUV航跡控制方法,，并對(duì)兩者進(jìn)行了比較。在海流擾動(dòng)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(duì)海流擾動(dòng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性,。結(jié)果表明,，應(yīng)用該模糊自校正控制方法為AUV設(shè)計(jì)航跡控制器是完全可行的。
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