基于相对时变跟踪点位的无人艇目标跟踪策略.pdf
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1、本文网址:http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(1):169177.LIU J J,WANG J,WANG X,et al.Target tracking strategy of unmanned surface vehicle based on relative time-varyingtracking positionJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(1):169177(in Chinese).基于相对时变跟踪点位的无人艇目标跟踪策略扫码阅读全文柳俊杰1,王健*1,王幸1,2,汪俊1,梁晓锋11 上海交通大学
2、海洋智能装备与系统教育部重点实验室,上海 2002402 中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064摘 要:目的目的无人艇(USV)进行目标跟踪时,采用相对固定跟踪点位(RFTP)策略得到的参考轨迹含有拐点,导致跟踪不稳定,针对该问题提出相对时变跟踪点位(RTTP)策略以提高跟踪的稳定性。方法方法首先,使用一阶滞后滤波对目标艇艏向变化量进行处理;然后,根据滤波后的数据设计时变跟踪点位,将目标跟踪问题转化为轨迹跟踪问题,并得到参考轨迹;最后,使用模型预测控制(MPC)方法实现对目标艇的跟踪。结果结果仿真结果表明,USV 在 RTTP 策略下的跟踪效果更稳定,跟踪距离均方根差(RMSE)下降了
3、 28.06%,能耗降低了 5.93%,且控制量更加平稳。结论结论相比传统的 RFTP 策略,采用 RTTP 策略可有效提高 USV 目标跟踪的稳定性,为 USV 的目标跟踪提供了新策略。关键词:无人艇;目标跟踪;相对固定跟踪点位;相对时变跟踪点位中图分类号:U664.82文献标志码:ADOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03415 Target tracking strategy of unmanned surface vehicle based on relativetime-varying tracking positionLIU Junjie1,WANG Jia
4、n*1,WANG Xing1,2,WANG Jun1,LIANG Xiaofeng11 Key Laboratory of Marine Intelligent Equipment and System of Ministry of Education,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China2 China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,ChinaAbstract:ObjectiveTarget tracking is an important application
5、 of unmanned surface vehicles(USVs).This study proposes a relative time-varying tracking position(RTTP)strategy to improve the tracking stabilityand address the problem that the reference trajectory obtained by the relative fixed tracking position(RFTP)strategy contains inflection points and leads t
6、o tracking instability.MethodsA first-order hysteresis filteris used to process the target USVs heading variation.The time-varying tracking position is then designed ac-cording to the filtered data,the target tracking problem is transformed into a trajectory tracking problem andthe reference traject
7、ory is obtained.Finally,model predictive control(MPC)is used to achieve the tracking ofthe target USV.ResultsThe simulation experimental results show that the tracking effect of the USV un-der the RTTP strategy is more stable with the root mean square error(RMSE)of the tracking distance de-creased b
8、y 28.06%and the energy consumption reduced by 5.93%.It also has advantages in the smoothness ofthe control volume.Conclusions Compared with the traditional RFTP strategy,the proposed RTTPstrategy can effectively improve the stability of USV target tracking,giving it practical significance for the ta
9、r-get tracking of USVs.Key words:unmanned surface vehicle;target tracking;relative fixed tracking position strategy;relativetime-varying tracking position strategy收稿日期:20230617 修回日期:20230801 网络首发时间:20240205 21:13基金项目:上海交通大学深蓝计划资助项目(SL2022MS003)作者简介:柳俊杰,男,1998 年生,硕士生。研究方向:无人艇路径规划与控制。E-mail:LJJ王健,男,19
10、89 年生,博士,助理研究员。研究方向:多航态海洋无人航行器,海洋多智能体协同控制。E-mail:nsms_梁晓锋,男,1976 年生,博士,研究员。研究方向:水下无人系统总体设计。E-mail:liang_*通信作者:王健 第 19 卷 第 1 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.12024 年 2 月Chinese Journal of Ship ResearchFeb.2024 0 引言随着人类对海洋资源的加速探索,水面无人艇(USV)在海洋物理环境监控、近海安全等科学领域发挥了越来越重要的作用1。从作业场景来看,无人艇可用于执行拦截、监测、巡逻、目标跟踪等任务,其中,目标跟踪在
11、军事和民用领域具有重要的应用价值2。周鸿祥3认为目标跟踪问题按对象可分为图像目标跟踪和实体目标跟踪,而实体目标跟踪可以分为沿目标轨迹跟踪和非目标轨迹跟踪,沿目标轨迹跟踪又可分为路径跟踪和轨迹跟踪。在限制区域内,尾随式跟踪场景下的实体目标跟踪问题,可通过设计最佳跟踪点位将目标跟踪问题转化为轨迹跟踪问题。轨迹跟踪是指在设定时间内控制对象到达参考轨迹的设定位置,且参考轨迹一般与时间相关4。在控制器设计方面,目前实现轨迹跟踪控制的方法主要有反步法、模糊控制、滑模控制(SMC)、模型预测控制(MPC)等5-6。张昕7针对欠驱动无人艇轨迹跟踪控制问题,结合反步法和 Lyapunov非线性理论,通过引入动态
12、滑模设计了欠驱动无人艇轨迹跟踪控制器,利用 Lyapunov 稳定性判据证明了无人艇所有的误差变量和虚拟控制变量是收敛的,但该方法没有考虑无人艇的输入输出限制。Elmokadem 等8提出了一种基于终端滑模控制(TSMC)的控制器,用于解决欠驱动自主水下航行器在水平面内的轨迹跟踪问题,经仿真实验,验证了该控制器在有界环境干扰下的鲁棒性。陈天元等9通过将轨迹跟踪问题简化成基于视线(LOS)法的艏向控制问题,设计显式 MPC 艏向控制器,提高了 MPC 的实时性,实现了轨迹跟踪控制,但该方法将无人艇纵荡速度取为常值,与实际情况不符。张丽珍等10针对半潜式无人艇在导航航行过程中轨迹跟踪误差较大的问题
13、,提出基于 MPC 的轨迹跟踪控制方法,使得半潜式无人艇的导航轨迹跟踪精度比原有 PID(比例积分微分)控制方法提高了 50%左右,但该方法在建立 MPC 控制模型时只考虑了控制量约束而没有考虑状态量约束。在跟踪策略方面,何志强等11提出基于区域人工势场的无人艇目标跟踪策略,通过构建限制跟踪区域的径向和切向势力场,使得区域内的最佳跟踪点为零势点,控制无人艇在限制跟踪区域内进行目标跟踪,并维持在最佳跟踪点位置附近,但该方法没有说明如何解决人工势场法存在局部极小值的问题。Jiang 等12基于LOS 法提出了一种针对目标包围任务的跟踪策略,结合洋流观测器实现了围绕速度时变的运动目标的圆周运动,但设
14、计的控制器形式复杂且参数整定困难。综上,无人艇轨迹跟踪问题策略的研究多集中在制导方面,而且鲜有研究考虑参考轨迹的生成。本文将针对无人艇在限制区域内的尾随式跟踪问题,提出相对时变跟踪点位策略,建立限制区域内最佳跟踪点位与目标艇艏向角变化量之间的关系,解决相对固定跟踪点位策略在目标艇转向阶段因跟踪参考轨迹存在拐点而导致跟踪不稳定的问题。在控制器方面,考虑无人艇输入输出的限制,采用 MPC 控制方法进行无人艇仿真跟踪实验,通过两种跟踪策略得到参考轨迹,并从能耗、路径长度、跟踪效果等指标分析两种策略在跟踪稳定性方面的性能,再从统计学角度分析控制量数据的离散程度,探究两种策略下控制量平稳性的差异。1 相
15、对时变跟踪点位策略 1.1 任务场景本文研究无人艇在理想环境条件下的跟踪问题。假设航行区域海面空旷,忽略外界干扰,无人艇可以感知到目标艇的相对位置和艏向角信息,目标跟踪方式为限制区域内尾随式跟踪。以目标艇为中心,设置最大、最小跟踪距离,当两船之间的距离大于最大跟踪距离时,无人艇离目标艇较远,对艇上感知设备的性能有影响,可能导致无法获取目标的精确信息,影响跟踪效果;当两者之间距离小于跟踪任务距离时,无人艇失去隐蔽性,两种情况下均认为跟踪任务失败。L1L22L1L2根据限制区域尾随式跟踪的定义,跟踪任务场景的建模如图 1 所示。首先,以目标艇为中心,分别以最大跟踪距离和最小跟踪距离绘制圆;然后,为
16、防止无人艇在跟踪过程中因艏向角变化剧烈而引起回转半径变大导致跟踪目标丢失,以目标艇艏向为中心,在目标艇后方对称设置一个扇环偏角,且认为在此偏角内目标丢失的概率较小;最后,无人艇的跟踪区域被限定在一个开角为、外径为内径为的扇环域内。1.2 跟踪策略(L1+L2)/2对于上述任务场景下的跟踪问题,通常将扇环域中心位置作为最佳跟踪点位,而且位于无人艇正后方、艏向角反向延长线上并距离目标艇处,即图 1 中 A 点。该距离也是期望的跟踪距离,跟踪点的位置可由式(1)计算:170“无人船艇自主性技术”专辑第 19 卷xtra=xtar(L1+L2)2costarytra=ytar(L1+L2)2sinta
17、r(1)(xtra,ytra)(xtar,ytar)tar式中:为设计的最佳跟踪点位;为目标艇的位置;为目标艇的艏向角。该方法得到的跟踪点位相对于目标艇位置固定,本文称之为相对固定跟踪点位(relative fixed tracking posi-tion,RFTP)策略。RFTP 策略的弊端在于:当目标艇进行大机动转向时,艏向角变化程度剧烈,跟踪点位会发生较大偏移,无人艇初期的艏向变化方向与目标艇的艏向变化方向相反,如图 2 所示。当目标艇从P1点运动到 P2点时,目标艇的艏向变化方向为逆时针方向,而最佳跟踪点沿顺时针方向从 A1点偏移至 A2点。为了保证跟踪上目标点位,无人艇艏向在当前基础
18、上会沿顺时针方向偏移,但之后无人艇为保持与目标艇艏向大致在同一方向上,艏向角要沿逆时针方向变化。在此过程中,无人艇艏向经历了“先反向背离目标艇艏向变化方向,再回正方向,然后跟踪目标艇艏向”的过程。这种方式增大了无人艇艏向变化的幅度,增大了跟踪任务失败的风险。A1A2P1P2图 2RFTP 策略跟踪过程Fig.2 Trajectory tracking process under the RFTP strategy 图 3 为 RFTP 策略得到的参考轨迹示意图。由图可知,以目标艇转向结束为时间节点,在转向结束前,参考轨迹较为平滑且没有艏向角突变,但当目标艇转向趋于结束并保持艏向继续航行时,参考
19、轨迹中出现“拐点”(虚线矩形框),这意味着无人艇在 RFTP 策略下的参考轨迹时面临艏向角突变的问题,无法稳定地跟踪目标艇。3020100102030纵向位置 y/m横向位置 x/m目标艇轨迹0255075100125150175RFTP 策略图 3RFTP 策略所得参考轨迹Fig.3 Reference trajectory under the RFTP strategy 针对 RFTP 策略的弊端,本文提出相对时变跟踪点位(relative time-varying tracking position,RTTP)策略,该策略可使跟踪点位相对于目标艇艏向延长线方向按照一定规律向两侧偏移一定角
20、度,充分利用扇环域的约束空间,从而有利于跟踪参考轨迹接近目标艇实际航行轨迹,避免参考轨迹拐点的影响。在此过程中,核心步骤是偏移角的设计,经分析后,设计了如式(2)所示偏移角形式。=sign()(1eK|)sign(x)=1,x 00,x=01,x 0 0 0=0=03)当时,目标艇顺时针转向,此时要求。同理,当时,;当时,表示目标艇直行,跟踪点不发生偏移,在目标艇正后方。Rtar无人艇与目标艇之间的绝对方位角、目标艇的艏向角之间的关系为R=tar+(3)RTTP 策略下无人艇跟踪点的位置可由式(4)计算:L1L2A图 1跟踪区域示意图Fig.1 Schematic diagram of the
21、 tracking area第 1 期柳俊杰等:基于相对时变跟踪点位的无人艇目标跟踪策略171xtra=xtar(L1+L2)2cosRytra=ytar(L1+L2)2sinR(4)图 4 为前文所述两种不同跟踪点设计策略得到的跟踪参考轨迹对比图。由图可知,在目标艇转向前期,RTTP 策略得到的参考轨迹比 RFTP 策略得到的参考轨迹更接近目标艇的轨迹,说明偏移角的设计是合理的。通过偏移可以改善参考轨迹的形状,使之与目标艇的运动轨迹更相似,避免无人艇在跟踪过程中艏向角“先反向背离目标艇,再回正方向跟踪目标艇”,降低无人艇艏向角变化幅度,有利于无人艇稳定地跟踪目标艇。目标艇轨迹30201001
22、02030纵向位置 y/m横向位置 x/m0255075100125150175RFTP 策略RTTP 策略图 4不同跟踪策略下的参考轨迹Fig.4 Reference trajectories under various tracking strategies 然而,在目标艇转向结束阶段,RTTP 策略得到的参考轨迹同 RFTP 策略一样也出现了拐点,但这种拐点本质上是一种跳跃点,产生的根本原因是相邻两次采样时目标艇的艏向角变化量发生突变,如图 5 所示。40200204062026020406080100120时间/s020406080100120时间/s/()/()(a)艏向角(b)艏向
23、角变化量图 5目标艇艏向角及其变化量Fig.5 Target USVs heading angle and its variation R由式(2)可知,偏移角是关于目标艇艏向角变化量的连续函数,因此突变会传递到偏移角,经过式(3)传递到绝对方位角,进而影响到跟踪点位的计算。若相邻两次采样的发生突变,则引起发生突变,导致跟踪点位发生跳跃。为消除目标艇艏向角变化量突变的影响,有必要对采样数据进行平滑处理。现有的数据平滑处理方式很多,考虑选择简单、有效的方法,因此采用了比较常见的一阶滞后滤波法进行数据处理。一阶滞后滤波是对当前时刻的采样数据和前一时刻的滤波结果进行加权平均,计算得到新的滤波结果,计
24、算方法为Y(n)=aX(n)+(1a)Y(n1)(5)a (0,1)Y(n1)X(n)Y(n)式中:,为权重因子;为前一时刻的滤波结果;为当前时刻的采样数据;为当前时刻的滤波结果。采用一阶滞后滤波方法对图 5 的目标艇艏向角变化量进行数据平滑处理,结果如图 6 所示。经过滤波处理后,目标艇突变的问题得到解决,可从极值逐步变化到0 值,并且数据由极值过渡到 0 值的变化规律与原始数据相似。使用滤波后的数据,并结合式(2)式(4)求出跟踪点位,可得到图 7 所示的参考轨迹。显然,对采样数据进行平滑处理后,再结合RTTP 策略得到的参考轨迹几乎与目标艇的运动轨迹一致,参考轨迹不存在拐点。642024
25、6020406080100120时间/s未滤波一阶滞后滤波/()图 6滤波后目标艇艏向角变化量Fig.6 Variation of the target USVs heading after filtering 目标艇轨迹3020100102030纵向位置 y/m横向位置 x/m0255075100125150175RFTP 策略RTTP 策略RTTP 策略+滤波图 7滤波前、后参考轨迹Fig.7 Reference trajectories before and after filtering 综合以上分析可知,本文所提的 RTTP 策略,主要包括两个重要部分:一是使用一阶滞后滤波对采样所得
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