无人救捞艇的航向控制器设计＊

罗 哲，王 宁，蔡寿国，赵启壮，姚子豪，仇季瑾

（南通大学电气工程学院，江苏 南通 226001）

救捞无人艇的航向控制，是保证其能够迅速到达救援区域实现成功救捞的基础性功能。其一般由跟踪航向和航向保持两部分构成。航向跟踪要求无人艇的实际航向ψ逐渐变得和设定航向角ψr一样。航向保持则是要求舵角δ要克服各种干扰将实际的航向角ψ牢牢地稳定在设定航向ψr上。航向控制通常采取闭环控制[1]，通过实际航向ψ与设定航向ψr比较，形成航向误差信息△ψ=ψr-ψ，经过航向控制算法给出命令舵角δr，控制船头朝减少航向偏差的方向转动。

1 无人艇航向PID控制器设计

本文中，为简化分析无人艇模型采用Nomoto模型：

通常利用单纯的PD控制器，就可以实现航向控制，但是考虑水上航行时船舶遭遇波浪的干扰，导致产生稳态误差。因此，需要对PD控制律中添加积分项来进行补偿[2]。取控制律如下：

将其代入到Nomoto模型中，获得系统闭环特征方程：

其中KP、KD、KI的取值只要保证上式的特征根实部均小于0即可。求得。其中ωn为系统自然频率，ξ为阻尼比。需要说明的是这并非参数整定完毕，需要对其调整确定最终控制器参数。

2 航向控制器得Matlab仿真

利用Simulink构造的无人艇航向控制器如图1所示。

图1 无人艇仿真Simulink模型

首先是航向角参考输入设定；然后就是设计的PID控制器，三个增益则分别表示所需要的参数值；PID控制器输出送入舵角模型，在该部分设计有两个限幅器，分别用于模拟船舵的左右最大幅值和舵的转速限制；最后一部分则是无人艇的Nomoto模型。系统模型采用。在仿真中用为模拟船舶在运行过程中遇到的风浪干扰，采用白噪声驱动一个二阶振荡环节。在六级风的作用下得到海浪模型传递函数为[3]：

将其进行离散化，取采样时间设为1 s，白噪声强度设为1 000，得到其离散模型：

3 仿真结果分析及结论

仿真时，设定参考航向角为75°，考虑波浪的影响，得到的仿真曲线如图2和图3所示。

图2 航向角变化曲线

从图2、图3可以看出，在加入了干扰信号后，无人艇仍然能够按照指定的航向角前进，虽然在图中看到仿真中后期，实际航向角略微有些波动，但是无人艇始终并没有脱离预定的航向，并且相对于无波浪干扰工况，在刚开始的阶段，无人艇的舵角始终在按照它的最大变化速率进行改变，但在维持了一段时间后，就开始进行回舵；在受到波浪干扰后，它的变化速率就开始发生波动，用来抵抗海浪的干扰，保证无人艇按照预定的方向航行。

图3 舵角变化曲线

通过仿真曲线分析，可以看到控制器可以较快地跟踪设定的航向，并且在波浪干扰的影响下，仍然能够比较准确地维持航向，具有较优良的性能。