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(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現(xiàn)，包括1個基本模糊控制器和3個模糊增益調(diào)節(jié)裝置?；灸：刂破饔糜趯崿F(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時調(diào)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(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，特別是對海流擾動具有更強的適應(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(yán)重不確定性；二是水下海流擾動大且不可預(yù)知。應(yīng)用傳統(tǒng)控制方法時需要得到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象的數(shù)學(xué)模型，可以適應(yīng)AUV控制的需要。近年來，國內(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[1]中的AUV修改學(xué)習(xí)實時T-S模糊控制器的模糊模型并通過結(jié)合一個模糊目標(biāo)進行拓展，提高了控制精度和適應(yīng)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(shè)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(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的影響，引入模糊增益調(diào)節(jié)方法作進一步的優(yōu)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(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(guī)則定義如表2所示。
    表2中模糊語言變量為：ZE：零；NE：負(fù)；PE：正。這組規(guī)則同時適用于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含規(guī)則實現(xiàn)輸入量的模糊化；采用面積中心法實現(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
    為更好地說明模糊自校正航跡控制方法的優(yōu)勢，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航向的海流擾動作用下，沿預(yù)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(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，二者都能夠使AUV基本達到目標(biāo)航跡的轉(zhuǎn)向節(jié)點。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實時調(diào)整航向駛向目標(biāo)航跡的轉(zhuǎn)向節(jié)點以實現(xiàn)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(yīng)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(chǔ)上，引入模糊增益調(diào)節(jié)方法對其量化因子進行實時優(yōu)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(yīng)性。結(jié)果表明，應(yīng)用該模糊自校正控制方法為AUV設(shè)計航跡控制器是完全可行的。
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