本發(fā)明涉及水下航行器運(yùn)動(dòng)控制，尤其涉及一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、在船舶的運(yùn)動(dòng)控制中，航向控制是其中非常重要的一個(gè)方面，常用的控制方法有pid控制、bang-bang控制以及非線性控制等，這些方法在特定情況下確實(shí)能夠取得不錯(cuò)的控制效果。但對(duì)于實(shí)際的船舶系統(tǒng)而言，其運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜性，航行環(huán)境的未知因素多且變化大，所以這些傳統(tǒng)方法的實(shí)際控制效果往往欠佳。

2、最優(yōu)控制方法是現(xiàn)代控制理論中的一種具有代表性的方法，相比于在船舶控制中被廣泛使用的傳統(tǒng)控制方法，最優(yōu)控制的實(shí)施更加簡(jiǎn)單，無需人工調(diào)整參數(shù)，且控制效果良好。在實(shí)際使用最優(yōu)控制方法時(shí)，對(duì)于需要提前確定的兩個(gè)參數(shù)矩陣q和r，常常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為選取的。這種人工選取的方法最大的缺點(diǎn)在于參數(shù)矩陣q和r的選擇具有局限性，選取過程過于依賴調(diào)試人員的經(jīng)驗(yàn)，不能夠根據(jù)實(shí)際的水下航行器情況和控制效果自適應(yīng)地調(diào)整其數(shù)值。q、r矩陣對(duì)于最優(yōu)控制算法的性能有直接的影響，由于船舶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有不確定性，在參數(shù)固定的情況下往往無法保證方法達(dá)到最優(yōu)的控制效果。因此，如何使得最優(yōu)控制方法中的q矩陣和r矩陣能夠根據(jù)實(shí)際控制效果進(jìn)行自適應(yīng)的尋優(yōu)是非常關(guān)鍵的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決船舶航向最優(yōu)控制過程中參數(shù)選取不準(zhǔn)、控制算法缺少自適應(yīng)能力的問題。為此，本發(fā)明提供一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了水下航行器航向的自適應(yīng)最優(yōu)控制，減少了算法實(shí)現(xiàn)過程中的人員參與，提高了算法的可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明提供一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，采用的技術(shù)方案如下：包括：

3、獲取指令航向角，以及水下航行器的航行速度、實(shí)際航向角和轉(zhuǎn)艏角速度；

4、根據(jù)所述航行速度，選取對(duì)應(yīng)的a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣；

5、將所述a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到r矩陣和q矩陣；

6、根據(jù)所述指令航向角、航行速度、實(shí)際航向角、轉(zhuǎn)艏角速度、a系數(shù)矩陣、b系數(shù)矩陣、r矩陣和q矩陣，進(jìn)行最優(yōu)控制調(diào)節(jié)，計(jì)算得到舵角信號(hào)，根據(jù)所述舵角信號(hào)控制水下航行器的航向。

7、進(jìn)一步的，所述航行速度通過多普勒測(cè)速儀獲得，所述實(shí)際航向角通過磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器獲得，所述轉(zhuǎn)艏角速度通過陀螺儀獲得。

8、進(jìn)一步的，將所述a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到r矩陣和q矩陣的過程為：

9、將所述a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣拼接，得到增廣矩陣，

10、將增廣矩陣輸入所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到模型輸出結(jié)果，所述模型輸出結(jié)果為r矩陣和q矩陣的合并形式，

11、根據(jù)所述模型輸出結(jié)果，得到r矩陣和q矩陣。

12、進(jìn)一步的，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為：依次連接的3個(gè)卷積層和1個(gè)全連接層。

13、進(jìn)一步的，3個(gè)所述卷積層分別為第一卷積層、第二卷積層和第三卷積層，所述第一卷積層的卷積核為，所述第二卷積層的卷積核為，所述第三卷積層的卷積核為，3個(gè)所述卷積層后均設(shè)置有relu激活函數(shù)，所述全連接層后設(shè)置有prelu激活函數(shù)。

14、進(jìn)一步的，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)loss為

15、

16、其中，表示實(shí)際航向角，表示指令航向角。

17、進(jìn)一步的，根據(jù)所述指令航向角、航行速度、實(shí)際航向角、轉(zhuǎn)艏角速度、a系數(shù)矩陣、b系數(shù)矩陣、r矩陣和q矩陣，進(jìn)行最優(yōu)控制調(diào)節(jié)，計(jì)算得到舵角信號(hào)的過程為：

18、將所述a系數(shù)矩陣、b系數(shù)矩陣、r矩陣和q矩陣，帶入到riccati方程中，得到

19、，

20、其中，a表示a系數(shù)矩陣，b表示b系數(shù)矩陣，r表示r矩陣，q表示q矩陣，p表示常量矩陣p，

21、解得常量矩陣p，將所述常量矩陣p帶入

22、，

23、解得系數(shù)矩陣k，k=[]，將系數(shù)帶入

24、，

25、計(jì)算得到舵角信號(hào)，其中，表示航行速度，表示轉(zhuǎn)艏角速度，表示實(shí)際航向角，表示指令航向角。

26、本發(fā)明還提供一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制系統(tǒng)，采用的技術(shù)方案如下：包括：數(shù)據(jù)獲取單元、ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元、rq矩陣計(jì)算單元和最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元分別與所述ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元、最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，所述ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元分別與所述rq矩陣計(jì)算單元、最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，所述rq矩陣計(jì)算單元與所述最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，

27、所述數(shù)據(jù)獲取單元，用于獲取指令航向角，以及水下航行器的航行速度、實(shí)際航向角和轉(zhuǎn)艏角速度；

28、所述ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元，用于根據(jù)所述航行速度，選取對(duì)應(yīng)的a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣；

29、所述rq矩陣計(jì)算單元，用于將所述a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到r矩陣和q矩陣；

30、所述最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元，用于根據(jù)所述指令航向角、航行速度、實(shí)際航向角、轉(zhuǎn)艏角速度、a系數(shù)矩陣、b系數(shù)矩陣、r矩陣和q矩陣，進(jìn)行最優(yōu)控制調(diào)節(jié)，計(jì)算得到舵角信號(hào)，根據(jù)所述舵角信號(hào)控制水下航行器的航向。

31、本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法。

32、本發(fā)明實(shí)施例中的上述一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果之一：

33、1.本發(fā)明使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得最優(yōu)控制方法中的q矩陣和r矩陣能夠根據(jù)水下航行器的航向控制效果進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，不再需要人為預(yù)設(shè)，有效解決了船舶航向自動(dòng)控制過程中參數(shù)選取不準(zhǔn)、控制算法缺少自適應(yīng)能力的問題。

34、2.本發(fā)明采用最優(yōu)控制方法能夠減少算法實(shí)現(xiàn)過程中的人員參與，直接解算得到最優(yōu)控制參數(shù)，無需在不同試驗(yàn)條件下人工調(diào)整控制參數(shù)，避免了因人為的主觀因素所導(dǎo)致的控制效果差的情況。

35、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，所述航行速度通過多普勒測(cè)速儀獲得，所述實(shí)際航向角通過磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器獲得，所述轉(zhuǎn)艏角速度通過陀螺儀獲得。

3.如權(quán)利要求1所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，將所述a系數(shù)矩陣和b系數(shù)矩陣輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到r矩陣和q矩陣的過程為：

4.如權(quán)利要求1所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為：依次連接的3個(gè)卷積層和1個(gè)全連接層。

5.如權(quán)利要求4所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，3個(gè)所述卷積層分別為第一卷積層、第二卷積層和第三卷積層，所述第一卷積層的卷積核為，所述第二卷積層的卷積核為，所述第三卷積層的卷積核為，3個(gè)所述卷積層后均設(shè)置有relu激活函數(shù)，所述全連接層后設(shè)置有prelu激活函數(shù)。

6.如權(quán)利要求4所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，所述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)loss為

7.如權(quán)利要求1所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，其特征在于，根據(jù)所述指令航向角、航行速度、實(shí)際航向角、轉(zhuǎn)艏角速度、a系數(shù)矩陣、b系數(shù)矩陣、r矩陣和q矩陣，進(jìn)行最優(yōu)控制調(diào)節(jié)，計(jì)算得到舵角信號(hào)的過程為：

8.一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制系統(tǒng)，其特征在于，用以執(zhí)行如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法，包括：數(shù)據(jù)獲取單元、ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元、rq矩陣計(jì)算單元和最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元，所述數(shù)據(jù)獲取單元分別與所述ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元、最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，所述ab系數(shù)矩陣計(jì)算單元分別與所述rq矩陣計(jì)算單元、最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，所述rq矩陣計(jì)算單元與所述最優(yōu)控制調(diào)節(jié)單元連接，

9.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的一種參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及水下航行器運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了參數(shù)自適應(yīng)的水下航行器航向最優(yōu)控制方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品，方法包括：獲取指令航向角，以及水下航行器的航行速度、實(shí)際航向角和轉(zhuǎn)艏角速度；根據(jù)所述航行速度，選取對(duì)應(yīng)的A系數(shù)矩陣和B系數(shù)矩陣；將所述A系數(shù)矩陣和B系數(shù)矩陣輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算得到R矩陣和Q矩陣；根據(jù)所述指令航向角、航行速度、實(shí)際航向角、轉(zhuǎn)艏角速度、A系數(shù)矩陣、B系數(shù)矩陣、R矩陣和Q矩陣，進(jìn)行最優(yōu)控制調(diào)節(jié)，計(jì)算得到舵角信號(hào)，根據(jù)所述舵角信號(hào)控制水下航行器的航向。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水下航行器航向的自適應(yīng)最優(yōu)控制，減少了算法實(shí)現(xiàn)過程中的人員參與，提高了算法的可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：廖益欣,蘇暢,沈東,諶興良,張遠(yuǎn)博,李義慎,王星月,魯妤知
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇七研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9