CN108445892A - 一种欠驱动无人船编队控制器结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动无人船编队控制器结构及其设计方法，所述的控制器结构包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元由跟踪路径模块、协同模块、滤波器、观测器、动力学模块和欠驱动无人船组成。本发明适用于欠驱动无人船，拓展了欠驱动无人船编队控制的应用范围，使得该编队控制器更有利于实际应用。本发明不仅能够实现同步编队队形，还能够实现队列编队队形和闭曲线上包围编队队形，提高了欠驱动无人船编队的灵活性和可扩展性。本发明降低了控制算法的计算负荷，有利于实际微处理器系统如单片机或数字信号处理器的实时计算，从而提高了系统的整体控制性能。

Description

一种欠驱动无人船编队控制器结构及设计方法

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，特别是一种欠驱动无人船编队控制器结构及设计方法。

背景技术

中国专利CN 107037816 A公开了一种多无人船编队系统，通过控制多艘无人船组成集群编队进行协同探测，分布式环境感知方式，实现无人船编队。其包括船载控制系统和岸基监控系统，所述岸基监控系统包括上位机和岸基通信模块，所述上位机和岸基通信模块设置在岸上，并且所述上位机与所述岸基通信模块连接；所述船载控制系统设置有多个并且每个所述船载控制系统分别设置在一条无人船上，并且这些无人船共同构成多无人船编队。

中国专利CN 107168329 A公开了一种基于跟随领航者法的航速航向协同控制编队航行控制方法，航速航向控制具有明确的控制任务分工，物理意义明确，克服了人工势场法不能解决队形保持的控制问题，具有很强的工程操作性和实施性，无需人工干预，可广泛用以解决于无人值守环境下的船舶编队航行控制问题。

但上述专利存在以下问题：

第一，现有无人船编队控制研究大多局限于全驱动船舶，但是在实际应用中大多数船舶只配备了螺旋桨和舵装置作为动力装置，并未配备侧向推进器，属于欠驱动系统。

第二，现有无人船编队控制研究形成的队形形式单一，大多采用多条参数化路径进行导引，实现同步的编队队形。然而在实际执行海洋作业任务时，同步的编队队形不能满足所有的作业任务需求，例如当无人船编队通过狭窄或者有障碍的区域时，没有足够的空间来设计多条参数化路径让无人船并排通过。此外，现有的协同路径跟踪方法都是针对开曲线而设计，但是在一些实际应用场合中海洋学家更倾向于采用闭曲线对固定海域进行持续数据采集，因为闭曲线上的海洋信息采集更有利于数据分析且不受复杂海流的影响。

第三，现有无人船动力学系统的不确定性估计与控制多采用神经网络方法，但在实际应用中，神经网络存在计算负担大、调节参数多等缺点，不利于工程实现。

第四，现有无人船编队控制研究大多没有考虑无人船系统输入受限问题，当初始跟踪误差较大时，容易陷入输入饱和。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种欠驱动无人船编队控制器结构及设计方法，不仅能够应用于欠驱动船舶，实现多种编队队形，而且编队控制器采用模块化设计，显著降低控制器结构的复杂性、减少计算负荷、易于工程实现，从而极大地提高控制器的整体性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种欠驱动无人船编队控制器结构，包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元由跟踪路径模块、协同模块、滤波器、观测器、动力学模块和欠驱动无人船组成；所述的路径跟踪模块的三个输入端分别与欠驱动无人船的输出端、协同模块的一个输出端以及给定参考路径信号相连；协同模块的另一个输出端与通讯网络相连，将本船路径参数信息发送至通讯网络，同时协同模块的输入端用来接收邻居船舶的路径参数信息；路径跟踪模块的两个输出端分别与滤波器的两个输入端相连；观测器的输入端与欠驱动无人船的输出端相连；观测器的输出端与动力学模块的一个输入端相连；动力学模块的另外三个输入端分别与滤波器的两个输出端和欠驱动无人船的输出端相连；动力学模块的输出端与欠驱动无人船的输入端相连。

所述的欠驱动无人船的运动学和动力学模型用下式表示：

其中下标i代表第i艘欠驱动无人船；x_i、y_i分别表示欠驱动无人船在地球坐标系下的经度、纬度坐标；ψ_i代表欠驱动无人船艏向角，范围为(-π，π]；u_i、v_i、r_i分别表示船体坐标系下欠驱动无人船的纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir分别代表无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；欠驱动无人船的控制输入τ_iu、τ_ir分别表示纵向方向上的推力和艏摇方向上的力矩；τ_iwu、τ_iwv、τ_iwr分别为外界时变风浪流对欠驱动无人船纵向速度、横漂速度、艏摇角速度的扰动；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别代表纵向、侧向以及艏摇方向上的船舶不确定性。

所述的通讯网络的结构如下：

欠驱动无人船编队通讯网络网络结构用图表示：

其中：

式中，代表N艘欠驱动无人船节点，ε表示第i艘欠驱动无人船和第j艘欠驱动无人船之间存在信息传递；N艘欠驱动无人船通讯关系用图的邻接矩阵表示：

其中，a_ij＝1表示第j艘欠驱动无人船信息传递给第i艘欠驱动无人船，即第j艘欠驱动无人船是第i艘欠驱动无人船的邻居船舶，其他情况a_ij＝0。

一种欠驱动无人船编队控制器结构的设计方法，包括以下步骤：

A、路径跟踪模块的设计

路径跟踪模块的输入信号包括欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i，航向信号ψ_i，速度信号u_i、v_i、r_i以及给定路径信号x_id(θ_i)、y_id(θ_i)；经计算，所述的路径跟踪模块的输出信号u_ic、r_ic表示为：

其中，u_ic、ψ_ic、r_ic分别为给定的纵向速度信号、艏向角信号和艏摇角速度信号；x_ie、y_ie分别表示欠驱动无人船的纵向跟踪误差和横向跟踪误差；为路径参数更新速度；∈_i1、∈_i2为正常数；v_s为参考速度；ψ_id代表路径切线角；β_i表示侧滑角；Δ_i为路径跟踪的前视距离；k_i1、k_i2为待设计的控制增益。

B、协同模块的设计

协同模块的输入信号为第i艘欠驱动无人船的邻居船舶的路径参数信息，所述的协同模块的输出信号ω_i设计为：

其中，k_i3为控制增益；e_i＝h_i(θ_i，θ_j，δ_ij)为一般形式的协同误差，其是关于本船路径参数θ_i、邻居船舶路径参数θ_j以及路径参数相对距离δ_ij的函数；通过选取不同形式的e_i，实现不同的欠驱动无人船编队队形。

C、滤波器的设计

滤波器的输入信号为路径跟踪控制器的输出信号u_ic、r_ic，滤波器设计为：

其中，γ_iu、γ_ir为滤波器时间常数；u_if、r_if为得到的滤波器输出信号。

D、观测器的设计

观测器的输入信号是欠驱动无人船的纵向速度信号u_i、艏摇角速度信号r_i以及控制输入信号τ_iu、τ_ir，设计的观测器用下式表示：

其中，分别为u_i、r_i、σ_iu、σ_ir的估计值；σ_iu、σ_ir分别为纵向以及艏摇方向总扰动的实际值，表示如下：

为观测器增益。

E、动力学模块的设计

动力学模块的输入信号为滤波器的两个输出信号以及观测器的两个输出信号，动力学模块设计为

其中，τ_iu、τ_ir为动力学模块的两个输出信号，同时作为欠驱动无人船的两个输入信号；∈_i3、∈_i4为正常数；k_iu、k_ir为动力学模块增益。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的有益效果如下：

第一，与现有针对全驱动船舶模型设计的编队控制器相比，本发明通过采用路径跟踪以及路径参数协同方法，使得所提出的编队控制方法适用于欠驱动无人船，拓展了欠驱动无人船编队控制的应用范围，使得该编队控制器更有利于实际应用。

第二，与现有采用多条参数化路径进行导引只能实现同步编队队形的方法相比，本发明通过构造一个与本船路径参数、邻居船舶路径参数、路径参数相对距离相关的函数，使得所提出的编队控制方法不仅能够实现同步编队队形，还能够实现队列编队队形和闭曲线上包围编队队形，提高了欠驱动无人船编队的灵活性和可扩展性。

第三，与现有采用神经网络进行欠驱动无人船动力学系统不确定性与扰动估计与控制的方法相比，本发明通过采用观测器对不确定性与扰动进行了估计与控制，降低了控制算法的计算负荷，有利于实际微处理器系统如单片机或数字信号处理器的实时计算，从而提高了系统的整体控制性能。

第四，与现有欠驱动无人船编队控制器相比，本发明通过引入饱和函数，使得所提出的编队控制器设计方法将输入受限问题考虑在内，保证了从任意起始位置开始控制信号是有界的，有效避免了输入饱和问题。

第五，综上所述，本发明可应用于欠驱动船舶并能实现多种编队队形，而且控制器采用模块化设计，显著降低了控制器结构的复杂性、减少了计算负荷、易于工程实现。

附图说明

本发明共有附图7张，其中：

图1是欠驱动无人船编队控制器结构示意图。

图2是五艘欠驱动无人船编队通讯网络结构示意图。

图3是五艘欠驱动无人船包围编队运动轨迹示意图。

图4是五艘欠驱动无人船包围编队纵向跟踪误差曲线图。

图5是五艘欠驱动无人船包围编队横向跟踪误差曲线图。

图6是五艘欠驱动无人船包围编队路径参数更新示意图。

图7是观测器对纵向的总扰动的估计效果图。

图8是观测器对艏摇方向的总扰动的估计效果图。

具体实施方式

下面结合附图以一个具体的五艘欠驱动无人船编队为例对本发明进行进一步说明。图1所示为本发明的结构示意图，欠驱动无人船编队中的每艘欠驱动无人船都满足式(1)所示的运动学和动力学模型，五艘欠驱动无人船包围编队的通讯网络结构如图2所示，1号船将路径参数信息发送给2号船；以此类推，最后5号船将路径参数信息发送给1号船。

此例的控制目标是五艘欠驱动无人船能够跟踪给定的封闭参数化路径，同时能平均分布在闭曲线上，并保持对称的编队队形。

所用的控制器满足式(2)-(6)所描述的控制器结构，仿真结果如图3-7所示。图3是五艘欠驱动无人船编队运动轨迹，图中的虚线为给定的参数化路径，实线为五艘欠驱动无人船的实际运动轨迹，从图中可以看出五艘欠驱动无人船跟踪上了给定参考参数化路径并平均分布在曲线上，形成了对称的编队队形。图4和图5分别为五艘欠驱动无人船的纵向跟踪误差和横向跟踪误差，从图中可以看出跟踪误差均收敛到零。图6显示的是五艘欠驱动无人船的路径参数更新情况，从图中可以看出两个虚拟领导者参数趋于同步。图7-8是使用观测器对不确定性和扰动的估计效果，其中实线为不确定性和扰动的真实值，虚线为其估计值，可以看到观测器对不确定性和扰动具有良好的估计效果。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种欠驱动无人船编队控制器结构，其特征在于：包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元由跟踪路径模块、协同模块、滤波器、观测器、动力学模块和欠驱动无人船组成；所述的路径跟踪模块的三个输入端分别与欠驱动无人船的输出端、协同模块的一个输出端以及给定参考路径信号相连；协同模块的另一个输出端与通讯网络相连，将本船路径参数信息发送至通讯网络，同时协同模块的输入端用来接收邻居船舶的路径参数信息；路径跟踪模块的两个输出端分别与滤波器的两个输入端相连；观测器的输入端与欠驱动无人船的输出端相连；观测器的输出端与动力学模块的一个输入端相连；动力学模块的另外三个输入端分别与滤波器的两个输出端和欠驱动无人船的输出端相连；动力学模块的输出端与欠驱动无人船的输入端相连；

所述的欠驱动无人船的运动学和动力学模型用下式表示：

其中下标i代表第i艘欠驱动无人船；x_i、y_i分别表示欠驱动无人船在地球坐标系下的经度、纬度坐标；ψ_i代表欠驱动无人船艏向角，范围为(-π，π]；u_i、v_i、r_i分别表示船体坐标系下欠驱动无人船的纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir分别代表无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；欠驱动无人船的控制输入τ_iu、τ_ir分别表示纵向方向上的推力和艏摇方向上的力矩；τ_iωu、τ_iωv、τ_iωr分别为外界时变风浪流对欠驱动无人船纵向速度、横漂速度、艏摇角速度的扰动；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别代表纵向、侧向以及艏摇方向上的船舶不确定性；

所述的通讯网络的结构如下：

欠驱动无人船编队通讯网络网络结构用图表示：

其中：

式中，代表N艘欠驱动无人船节点，ε表示第i艘欠驱动无人船和第j艘欠驱动无人船之间存在信息传递；N艘欠驱动无人船通讯关系用图的邻接矩阵表示：

其中，a_ij＝1表示第j艘欠驱动无人船信息传递给第i艘欠驱动无人船，即第j艘欠驱动无人船是第i艘欠驱动无人船的邻居船舶，其他情况a_ij＝0。

2.一种欠驱动无人船编队控制器结构的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、路径跟踪模块的设计

路径跟踪模块的输入信号包括欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i，航向信号ψ_i，速度信号u_i、v_i、r_i以及给定路径信号x_id(θ_i)、y_id(θ_i)；经计算，所述的路径跟踪模块的输出信号u_ic、r_ic表示为：

其中，u_ic、ψ_ic、r_ic分别为给定的纵向速度信号、艏向角信号和艏摇角速度信号；x_ie、y_ie分别表示欠驱动无人船的纵向跟踪误差和横向跟踪误差；为路径参数更新速度；∈_i1、∈_i2为正常数；v_s为参考速度；ψ_id代表路径切线角；β_i表示侧滑角；Δ_i为路径跟踪的前视距离；k_i1、k_i2为待设计的控制增益；

B、协同模块的设计

协同模块的输入信号为第i艘欠驱动无人船的邻居船舶的路径参数信息，所述的协同模块的输出信号ω_i设计为：

其中，k_i3为控制增益；e_i＝h_i(θ_i，θ_j，δ_ij)为一般形式的协同误差，其是关于本船路径参数θ_i、邻居船舶路径参数θ_j以及路径参数相对距离δ_ij的函数；通过选取不同形式的e_i，实现不同的欠驱动无人船编队队形；

C、滤波器的设计

滤波器的输入信号为路径跟踪控制器的输出信号u_ic、r_ic，滤波器设计为：

其中，γ_iu、γ_ir为滤波器时间常数；u_if、r_if为得到的滤波器输出信号；

D、观测器的设计

观测器的输入信号是欠驱动无人船的纵向速度信号u_i、艏摇角速度信号r_i以及控制输入信号τ_iu、τ_ir，设计的观测器用下式表示：

其中，分别为u_i、r_i、σ_iu、σ_ir的估计值；σ_iu、σ_ir分别为纵向以及艏摇方向总扰动的实际值，表示如下：

为观测器增益；

E、动力学模块的设计

动力学模块的输入信号为滤波器的两个输出信号以及观测器的两个输出信号，动力学模块设计为

其中，τ_iu、τ_ir为动力学模块的两个输出信号，同时作为欠驱动无人船的两个输入信号；∈_i3、∈_i4为正常数；k_iu、k_ir为动力学模块增益。