一種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法。本裝置主要包括：水面無人艇、嵌入式計算機(jī)、全向式無線設(shè)備、GPS和羅經(jīng)，無線設(shè)備和GPS主體安裝于無人艇控制艙內(nèi)，天線安裝在艇體頂部；羅經(jīng)安裝于艇體重心；嵌入式計算機(jī)與GPS、羅經(jīng)、無線設(shè)備相連，控制算法存儲于嵌入式計算機(jī)。在實現(xiàn)過程中通過無線設(shè)備接收由X波段雷達(dá)監(jiān)測的相關(guān)海域浪涌信息，羅經(jīng)實時獲取無人艇的位姿信息，利用基于支持向量回歸機(jī)的抗浪涌控制算法對浪涌及位姿信息進(jìn)行解算，輸出控制指令；無人艇執(zhí)行控制指令，實現(xiàn)無人艇的抗浪涌干擾運動控制。本發(fā)明提供一種可以有效地適應(yīng)外界干擾，實現(xiàn)基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法。
【專利說明】-種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水面無人艇運動控制和抗海浪涌干擾領(lǐng)域，特別涉及一種基于支持向 量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水面無人艇是一個無人智能平臺，需要在復(fù)雜環(huán)境中自主完成各種復(fù)雜任務(wù)，這 要求其具備精準(zhǔn)的機(jī)動和自適應(yīng)能力。水面無人艇是一種典型的欠驅(qū)動非完整系統(tǒng)，具有 模型不確定性、非線性和時變性、受復(fù)雜海洋環(huán)境干擾等特點。由于水面無人艇在復(fù)雜的海 洋環(huán)境中運動，水動力參數(shù)復(fù)雜，這使得單一的數(shù)學(xué)模型很難完全實現(xiàn)無人艇的航向控制 問題，尤其是存在外界浪涌等干擾下。因此，尋求新的控制方案以適應(yīng)無人艇實際航行需要 已成為近年的研究熱點。
[0003] 隨著無人艇在軍事與民用領(lǐng)域中的重要性以及突觸的優(yōu)勢，研究者們不斷地將各 種先進(jìn)現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到無人艇的運動控制之中，如滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等等。雖然這些控制算法的先進(jìn)性突觸，但是目前大多數(shù)控制理論仍舊 處于計算機(jī)仿真階段與實際工程應(yīng)用還有較大距離；另外，目前這些先進(jìn)控制算法的抗干 擾能力有限，對于復(fù)雜海浪環(huán)境的強(qiáng)外界干擾環(huán)境控制穩(wěn)定性較差。所以，研究一種能實際 應(yīng)用于強(qiáng)干擾環(huán)境的控制方法顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對水面無人艇在復(fù)雜海洋環(huán)境中存在的強(qiáng)干擾，及控制系統(tǒng)的 魯棒性要求，提供一種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置和方法，以解決水面 無人艇在強(qiáng)海浪涌干擾環(huán)境下的穩(wěn)定性運動控制。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置，包括水面無人艇、嵌入式計算機(jī)、 全向式無線設(shè)備、GPS和羅經(jīng)，所述全向式無線設(shè)備和GPS的主體安裝于水面無人艇控制艙 內(nèi)，所述GPS的接收天線和全向式無線設(shè)備的全向天線安裝在水面無人艇頂部；所述羅經(jīng) 安裝于水面無人艇重心處；所述嵌入式計算機(jī)分別與全向式無線設(shè)備、GPS、羅經(jīng)相連；根 據(jù)GPS獲取水面無人艇的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，基站或母船上的X波段海事雷達(dá)監(jiān)測周圍海域的 浪涌信息，并通過全向式無線設(shè)備傳輸?shù)角度胧接嬎銠C(jī)中，所述嵌入式計算機(jī)中的基于支 持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制算法，對浪涌信息及羅經(jīng)實時獲取的水面無人艇的位姿 信息進(jìn)行解算，輸出控制指令，水面無人艇執(zhí)行控制指令，完成水面無人艇的抗浪涌干擾運 動控制。
[0006] -種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法，采用上述基于支持向量回歸 機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置，控制步驟為 ： 1)水面無人艇進(jìn)行初始化設(shè)置，完成水面無人艇位置、姿態(tài)及船載設(shè)備的初始化，包括 初始航跡設(shè)定； 2) 啟動水面無人艇，嵌入式計算機(jī)向水面無人艇發(fā)送初始控制指令； 3) 全向式無線設(shè)備接收GPS獲取的水面無人艇的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，以及基站或母船上的 X波段海事雷達(dá)監(jiān)測周圍海域的浪涌信息，與羅經(jīng)獲取的水面無人艇的位姿信息一起存儲 在嵌入式計算機(jī)中； 4) 嵌入式計算機(jī)利用上述信息，進(jìn)行基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法解 算；得到水面無人艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令； 5) 嵌入式計算機(jī)將控制指令發(fā)送到水面無人艇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，水面無人艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行 控制指令，實現(xiàn)水面無人艇的抗浪涌運動控制。
[0007] 所述步驟4)中的進(jìn)行基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法解算，具體步 驟如下：首先將浪涌信息和水面無人艇的位姿信息作為基于模糊信息粒化法的回歸預(yù)測器 的輸入信號，進(jìn)行回歸預(yù)測計算；其次，無人艇運動規(guī)劃器的輸出信號理論控制位姿狀態(tài)值 與基于模糊信息?；ǖ幕貧w預(yù)測器的輸出信號作為無人艇運動控制決策器的輸入信號， 根據(jù)用于自定義不同的決策規(guī)則進(jìn)行求解；最后，無人艇運動控制決策器求解的輸出信號， 即為水面無人艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令。
[0008] 上述回歸預(yù)測計算步驟如下： (a) 以基站或母船上的X波段海事雷達(dá)提取的浪涌信息：有效波高，平均波周期，平均 波向，涌浪周期、方向、長度，風(fēng)浪周期、方向、長度為模型自變量；水面無人艇（1)的位姿特 征偏航角Yaw為應(yīng)變量； (b) 采集歷史原始數(shù)據(jù)，將步驟（a)中自變量和應(yīng)變量時間序列作為輸入向量，數(shù)據(jù)樣 本表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置，其特征在于，包括水面無人艇 (1)、嵌入式計算機(jī)（2)、全向式無線設(shè)備（3)、GPS (4)和羅經(jīng)（5)，所述全向式無線設(shè)備（3) 和GPS (4)的主體安裝于水面無人艇（1)控制艙內(nèi)，所述GPS (4)的接收天線和全向式無 線設(shè)備（3 )的全向天線安裝在水面無人艇（1)頂部；所述羅經(jīng)（5 )安裝于水面無人艇（1)重 心處；所述嵌入式計算機(jī)（2)分別與全向式無線設(shè)備（3)、GPS (4)、羅經(jīng)（5)相連；根據(jù)GPS (4)獲取水面無人艇（1)的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，基站或母船上的X波段海事雷達(dá)監(jiān)測周圍海域的 浪涌信息，并通過全向式無線設(shè)備（3)傳輸?shù)角度胧接嬎銠C(jī)（2)中，所述嵌入式計算機(jī)（2) 中的基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制算法，對浪涌信息及羅經(jīng)（5)實時獲取的水 面無人艇（1)的位姿信息進(jìn)行解算，輸出控制指令，水面無人艇（1)執(zhí)行控制指令，完成水 面無人艇（1)的抗浪涌干擾運動控制。
2. -種基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述基于 支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制裝置，其特征在于，控制步驟為： 水面無人艇（1)進(jìn)行初始化設(shè)置，完成水面無人艇（1)位置、姿態(tài)及船載設(shè)備的初始 化，包括初始航跡設(shè)定； 啟動水面無人艇（1 )，嵌入式計算機(jī)（2 )向水面無人艇（1)發(fā)送初始控制指令； 全向式無線設(shè)備（3)接收GPS (4)獲取的水面無人艇（1)的經(jīng)緯度坐標(biāo)值，以及基站或 母船上的X波段海事雷達(dá)監(jiān)測周圍海域的浪涌信息，與羅經(jīng)（5)獲取的水面無人艇（1)的位 姿信息一起存儲在嵌入式計算機(jī)（2)中； 嵌入式計算機(jī)（2)利用上述信息，進(jìn)行基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法 解算；得到水面無人艇（1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令； 嵌入式計算機(jī)（2 )將控制指令發(fā)送到水面無人艇（1)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，水面無人艇（1)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制指令，實現(xiàn)水面無人艇（1)的抗浪涌運動控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法，其特征在 于，所述步驟4)中的進(jìn)行基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法解算，具體步驟如 下：首先將浪涌信息和水面無人艇（1)的位姿信息作為基于模糊信息粒化法的回歸預(yù)測器 (6)的輸入信號，進(jìn)行回歸預(yù)測計算；其次，無人艇運動規(guī)劃器（7)的輸出信號理論控制位 姿狀態(tài)值與基于模糊信息粒化法的回歸預(yù)測器（6)的輸出信號作為無人艇運動控制決策器 (8)的輸入信號，根據(jù)用于自定義不同的決策規(guī)則進(jìn)行求解；最后，無人艇運動控制決策器 (8)求解的輸出信號，即為水面無人艇（1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于支持向量回歸機(jī)的無人艇抗浪涌控制方法，其特征在 于，所述回歸預(yù)測計算步驟如下： 以基站或母船上的X波段海事雷達(dá)提取的浪涌信息：有效波高，平均波周期，平均波 向，涌浪周期、方向、長度，風(fēng)浪周期、方向、長度為模型自變量；水面無人艇（1)的位姿特征 偏航角Yaw為應(yīng)變量； 采集歷史原始數(shù)據(jù)，將步驟（a)中自變量和應(yīng)變量時間序列作為輸入向量，數(shù)據(jù)樣本表 示為：
其中，xk表示在第k時刻輸入的樣本向量，JTkl，&，&，&，&，表示（a)中 模型自變量的數(shù)值，yk表示無人艇的偏航角Yaw的值，k=l，2, . . .，1 ; 數(shù)據(jù)的預(yù)處理，本發(fā)明主要采用Witold Pedrycz的?；椒ㄟM(jìn)行處理，在此之前對數(shù) 據(jù)進(jìn)行歸一化處理；對于給定的時間序列，把時間序列X看成一個窗口進(jìn)行模糊化；模糊化 的任務(wù)是在X上建立一個模糊粒子P，即一個能夠合理描述X的模糊概念G，因此確立G也 就確定模糊粒子P :
(1) x論域中U中取值的變量，G是U的模糊子集，由隸屬函數(shù)來刻畫；模糊化過程本 質(zhì)上是確定一個函數(shù)A，A為模糊概念G的隸屬函數(shù)，即d = Η,:];;采用三角型的模糊粒子， 其隸屬函數(shù)如下所示，其中a，b分別為模糊數(shù)的下限和上限，m可能性最大的值；
利用模糊信息?；▽κ占奶卣餍畔?shù)據(jù)進(jìn)行粒化，設(shè)定粒化窗口數(shù)目及輸出模糊 粒子的三個參數(shù)值LOW，R，UP ; 利用支持向量機(jī)，即SVM對三個模糊粒子參數(shù)LOW，R，UP進(jìn)行回歸預(yù)測計算，采用交 叉驗證法選擇回歸最佳參數(shù)c和g，通過多次訓(xùn)練SVM，得到最佳回歸模型得到預(yù)測值； 支持向量機(jī)預(yù)測方法是通過非線性映射把輸入控件映射到高維特征空間做線性回歸，
，式中：HW(3表示原樣本空間，:表示映射后的樣本 空間，為映射后樣本空間的維數(shù)，1?為原樣本空間的維數(shù)，支持向量機(jī)對應(yīng)的函數(shù)回 歸估計如公式（3)?（5):

式中，fir為支持向量機(jī)權(quán)向量，ST7"為ST的轉(zhuǎn)置向量，①為映射函數(shù)nr和 Φζχ)對應(yīng)的向量為的維向量，b為偏置量，C為支持向量機(jī)的懲罰系數(shù)，#為輸入樣 本總量，A和均為松弛項，二者數(shù)值不同，f為不敏感函數(shù)； 在高維空間中求解公式（3)中的SF，選取徑向核函數(shù)，得到SF表達(dá)式：
式中，SF為支持向量機(jī)權(quán)向量，A , 均為拉格朗日乘子，為映射函數(shù)， N=l, 2, 3. . . 1 ； 再根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker最優(yōu)化條件求偏置量b,則得回歸函數(shù)：
式中，, 均為拉格朗日乘子，為徑向基函數(shù)，因此可以求得公式（7) 中拉格朗日乘子+所對應(yīng)的向量即為支持向量。
【文檔編號】G05D1/08GK104049639SQ201410284867
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】彭艷, 崔建祥, 瞿棟, 羅均, 華凌云 申請人:上海大學(xué)