CN109765892A - 一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法，所述的控制器结构包括避碰和连通保持控制器、协同跟踪控制器、速度转换器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器。本发明专门针对欠驱动无人船而提出，故有着更加广阔的利用前景。本发明利用势能函数设计了避碰和连通保持控制器，能够实现编队过程中避免欠驱动无人船与欠驱动无人船之间、欠驱动无人船与环境障碍物之间的碰撞，同时保证欠驱动无人船之间的连通，在实际应用中可极大提高欠驱动无人船舶的安全性。本发明采用输出反馈设计，可以不使用速度传感器而利用观测器获取欠驱动无人船的速度信息，可以在实际应用中节省成本，减小体积。

Description

一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法

技术领域

本发明涉及欠驱动无人船编队控制领域，尤其涉及一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法。

背景技术

对海洋的探索，开发和利用是当前各个国家的发展重点。欠驱动无人船因其具有小型化、轻量化、自主化等特点，是人们探索、开发海洋的重要工具。在一些情况下，单条欠驱动无人船可以完成的任务有限，或是效率低下，而多条欠驱动无人船的协同配合就可以克服以上问题。欠驱动无人船的编队控制作为多欠驱动无人船协同的一种形式，在水文监测、海域搜救、目标拦截等领域有着极大的应用价值。在编队控制中，欠驱动无人船个体之间通过通讯网络传递信息，故需要保持网络连通，同时，欠驱动无人船个体之间的碰撞以及与环境障碍物的碰撞可能会导致欠驱动无人船的损毁，所以也应该避免碰撞。因此对于在欠驱动无人船编队控制中实现碰撞自规避与连通保持的研究有着非常重要的现实意义。

在多个欠驱动无人船编队控制方面，国内外学者已经进行了很多相关研究，并提出了许多控制方法，其中多个欠驱动无人船的协同路径跟踪、协同目标追踪、协同轨迹跟踪等方法的应用最为广泛。从控制器设计方面来看，现有多个欠驱动无人船编队控制方法仍存在着以下不足：第一，现有的欠驱动无人船编队控制研究大多都局限于对全驱动船舶的研究，但是在实际应用中，绝大多数的船舶都不具有侧向推进器，无法获取侧向推力，属于欠驱动系统，故很多现有方法的应用价值较弱。第二，现有欠驱动无人船编队控制研究大多没有考虑实际情况中可能发生的碰撞与超出通讯范围这些情况，而在实际应用中，如果没有采取相应措施，很有可能发生欠驱动无人船之间的碰撞、欠驱动无人船与环境障碍物之间的碰撞等可能损坏欠驱动无人船的情况，另外也有可能因为一些原因导致某条欠驱动无人船超出了通讯范围而失控。第三，现有的很多个欠驱动无人船编队控制研究均是基于状态反馈的基础上开展的，而在实际应用中很难在小型欠驱动无人船上通过传感器获取准确的速度信息。第四，现有欠驱动无人船编队控制研究大多没有考虑欠驱动无人船的控制输入受限问题，在初始时刻以及一些跟踪误差较大的情况下，容易出现输入饱和。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明要提出一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法，既能适用于欠驱动无人船，又能避免出现输入饱和，并能够实现多条欠驱动无人船编队过程中的碰撞自规避与连通保持。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构，包括避碰和连通保持控制器、协同跟踪控制器、速度转换器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器；所述的避碰和连通保持控制器的两个输入端分别与欠驱动无人船的输出端和通讯网络相连、输出端与协同跟踪控制器相连；所述的协同跟踪控制器的另两个输入端分别与通讯网络和欠驱动无人船的输出端相连、输出端连接到速度转换器的输入端；所述的速度转换器的另一个输入端与扩张状态观测器的输出端相连，输出端与非线性微分跟踪器相连；所述的非线性微分跟踪器的输出端接动力学控制器的输入端；所述的扩张状态观测器的一个输入端与动力学控制器的输出端相连、另一个输入端与欠驱动无人船的输出端相连、扩张状态观测器的一个输出端连接到通讯网络、另一个输出端连接到动力学控制器；所述的动力学控制器的输出端与欠驱动无人船的输入端连接。

一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构的设计方法，所述的无人船为欠驱动无人船，所述的欠驱动无人船运动学模型如下：

所述的欠驱动无人船动力学模型如下：

其中，下角标i代表第i艘欠驱动无人船；x_i、y_i、ψ_i∈R分别代表欠驱动无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；u_i、v_i、r_i∈R分别代表欠驱动无人船在船体坐标系下的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir∈R是欠驱动无人船在船体坐标系下的各向惯性系数；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)∈R是欠驱动无人船各向的不确定性；t_iwu、t_iwv、t_iwr∈R代表外界对欠驱动无人船的三向扰动；τ_iu、τ_ir∈R是欠驱动无人船的控制力。

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、避碰和连通保持控制器的设计

避碰和连通保持控制器的输入信号有欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i、从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船位置信号x_j、y_j以及给定环境障碍物信息x_k、y_k；经计算，所述的避碰和连通保持控制器的输出信号表示为：

其中，p_i＝(x_i，y_i)是第i艘欠驱动无人船的位置信号，p_ij＝p_i-p_j是i，j两船之间的距离；p_k＝(x_k，y_k)是第k个环境障碍物的位置，p_ik＝p_i-p_k是第i艘欠驱动无人船与第k个障碍物之间的距离；R_c、r_c分别是给定的两艘欠驱动无人船互相避碰的检测距离上、下界；R_o、r_o分别是给定的欠驱动无人船躲避障碍物的检测距离上、下界；R_m、r_m分别是给定的两艘欠驱动无人船触发联通保持的检测距离上、下界。

B、协同跟踪控制器的设计

协同跟踪控制器的输入信号包括避碰和连通保持控制器的输出信号 受控欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i以及从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船的位置和速度信号x_j、y_j、ψ_j、协同跟踪控制器的输出信号e_v表示如下：

式中：

为第i艘欠驱动无人船的跟踪误差，其中e_ij＝p_i-p_j-p_ijd，a_ij＝1代表第j艘欠驱动无人船将信息传给第i艘欠驱动无人船，a_i0＝1代表第i艘欠驱动无人船能够直接获得路径信息，其他情况下a_ij＝0；表示第j艘欠驱动无人船位置的时间导数，即第j艘欠驱动无人船在地球坐标系中的x轴方向速度和y轴方向速度，可由经坐标变换矩阵R_j变换得出；p_ijd为队形信息；为时变队形中时变部分的时间导数；K_1i为设定的控制器增益；Δ_1i为饱和常数；α_is为通讯拓扑上第i艘欠驱动无人船获得路径信息来源的数量。

C、速度转换器的设计

速度转换器的输入信号为协同跟踪控制器的输出信号e_v和观测器的输出信号其输出信号经过下列公式计算得出：

由上式求得：

Δ_ψ＝atan2(sinΔ_ψ，cosΔ_ψ)

进一步计算得到：

式中，V_i＝(V_ix，V_iy)表示欠驱动无人船在地球坐标系下的水平方向和垂直方向速度，由经过坐标变换矩阵R_i得出；Δ_ψ表示欠驱动无人船艏摇角与参考速度方向之间的偏差；k_i为控制转换参数；∈_i为饱和常数。

D、非线性微分跟踪器的设计

非线性微分跟踪器的输入信号为速度转换器的输出信号其输出信号经下式计算得出：

式中，k_i1、k_i2、ρ_i1、ρ_i2、γ_i为设计参数。

E、扩张状态观测器的设计

扩张状态观测器的输入信号为动力学控制器的输出信号τ_i和欠驱动无人船输出的状态信息x_i、y_i、ψ_i；其输出信号由下式计算得出：

式中，η_i＝(x_i，y_i，ψ_i)是第i艘欠驱动无人船的位置和角度；为第i艘欠驱动无人船位置和角度的观测值；为三维观测器增益矩阵；R_i(ψ_i)为坐标变换矩阵；m_i为欠驱动无人船的质量惯性矩阵。

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号包括速度转换器的输出信号非线性微分跟踪器的输出信号扩张状态观测器的输出信号动力学控制器的输出信号τ_i＝(τ_iu，τ_ir)由下式给出：

式中，为欠驱动无人船的观测速度与速度转换器给出的参考速度的差；K_2iu、K_2ir为动力学控制增益；Δ_2iu、Δ_2ir为饱和常数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有针对全驱动无人船设计的编队控制器相比，本发明提出的欠驱动无人船集群编队控制方法是针对欠驱动无人船而提出的，因为欠驱动无人船的结构更为简单，设计、生产也更加简便，所以在实际应用中采用的无人船大多都是欠驱动无人船，故本方法有着更加广阔的利用前景。

第二，与现有的没有考虑编队避免碰撞和保持连通的编队控制器相比，本发明提出的欠驱动无人船集群编队控制方法利用式(3)-(5)所示的势能函数设计了避碰和连通保持控制器，能够实现编队过程中避免欠驱动无人船与欠驱动无人船之间、欠驱动无人船与环境障碍物之间的碰撞，同时保证欠驱动无人船之间的连通，在实际应用中可极大提高欠驱动无人船舶的安全性。

第三，与现有采用状态反馈的编队控制方法相比，本发明采用输出反馈设计，可以不使用速度传感器而利用观测器获取欠驱动无人船的速度信息，可以在实际应用中节省成本，减小体积。

第四，与现有欠驱动无人船编队控制器相比，本发明提出的欠驱动无人船集群编队控制方法考虑了输入受限问题，采用饱和函数设计方法并限制了欠驱动无人船的控制输入，保证任何情况下的控制输入均为有界，避免了因输入饱和带来的一些问题。

附图说明

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控制通讯拓扑图。

图3是五艘欠驱动无人船的编队运动轨迹。

图4是五艘欠驱动无人船编队跟踪误差。

图5是五艘欠驱动无人船编队纵荡控制力。

图6是五艘欠驱动无人船编队转向控制力。

图7是一艘欠驱动无人船的纵荡速度及其观测值。

图8是一艘欠驱动无人船的横漂速度及其观测值。

图9是一艘欠驱动无人船的艏摇角速度及其观测值。

图10是一艘欠驱动无人船的纵荡方向扰动及其观测值。

图11是一艘欠驱动无人船的横漂方向扰动及其观测值。

图12是一艘欠驱动无人船的旋转扰动及其观测值。

图13是具有通讯拓扑的欠驱动无人船之间的距离。

具体实施方式

下面用一个具体的五艘欠驱动无人船的时变队形编队控制为例对本发明进行进一步说明。图1为本发明的结构示意图。欠驱动无人船的运动学模型和动力学模型参数如下：

编队控制过程中五艘欠驱动无人船的通讯拓扑如图2所示，1号船获取路径信息，并将路径参数信息发送给2、3号船；2号船将路径参数信息发送给4号船，3号船将路径参数信息发送给5号船。同时，每艘船都将自身位置信息发送给另外四艘船。

本实例中所用的控制器满足式(3)-(11)所描述的控制器结构，具体的控制器参数如下：

R_c＝2.5，r_c＝1，R_o＝8，r_o＝6，R_m＝6，r_m＝4.5

Δ_1i＝1，Δ_2iu＝1，Δ_2ir＝1，∈_i＝0.05

K_1i＝diag(1，1)，K_2iu＝129，K_2ir＝13.8

α_is＝1，k_i＝1，k_i1＝1，k_i2＝1，ρ_i1＝1/2，ρ_i2＝2/3，γ_i＝10

控制器中采用的坐标变换矩阵如下：

队形参数如下：

p_10d＝[0，0]，

其中参数d取值如下：

仿真结果如图3-13所示。图3是五艘欠驱动无人船的编队运动轨迹，图中的粗实线为给定的参数化路径，细虚线为五艘欠驱动无人船的实际运动轨迹，两个圆代表环境障碍物。从图中可以看出五艘欠驱动无人船跟踪上了给定的参数化路径，绕开了环境障碍物并在任何时刻都保证没有两船碰撞且通讯拓扑上连通的两船保持连通。图4是五艘欠驱动无人船编队跟踪误差，图中可以看出排除受到避障、避碰和连通保持影响的时间，跟踪误差可以收敛到零并保持。图5和图6是五艘欠驱动无人船的编队控制力，从图中可以看出五艘欠驱动无人船的控制力均保持在一定范围之内。图7至图9显示的是一艘欠驱动无人船的三向速度及其观测值，图中可以看出欠驱动无人船的速度在一定范围之内且观测器观测的速度准确。图10至图12是一艘欠驱动无人船的三向扰动及其观测值，其中虚线为不确定性和扰动的真实值，实线为其估计值，可以看到观测器对不确定性和扰动的观测效果良好。图13是具有通讯拓扑的欠驱动无人船之间的距离图，其中粗点划线分别代表碰撞距离和通讯距离，虚线为避碰和连通保持的检测距离，由图中可见设计的避碰和连通保持控制器起到了相应效果，保证欠驱动无人船之间的距离在安全范围内。

Claims (2)

1.一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构，其特征在于：包括避碰和连通保持控制器、协同跟踪控制器、速度转换器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器；所述的避碰和连通保持控制器的两个输入端分别与欠驱动无人船的输出端和通讯网络相连、输出端与协同跟踪控制器相连；所述的协同跟踪控制器的另两个输入端分别与通讯网络和欠驱动无人船的输出端相连、输出端连接到速度转换器的输入端；所述的速度转换器的另一个输入端与扩张状态观测器的输出端相连，输出端与非线性微分跟踪器相连；所述的非线性微分跟踪器的输出端接动力学控制器的输入端；所述的扩张状态观测器的一个输入端与动力学控制器的输出端相连、另一个输入端与欠驱动无人船的输出端相连、扩张状态观测器的一个输出端连接到通讯网络、另一个输出端连接到动力学控制器；所述的动力学控制器的输出端与欠驱动无人船的输入端连接。

2.一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构的设计方法，其特征在于：所述的无人船为欠驱动无人船，所述的欠驱动无人船运动学模型如下：

所述的欠驱动无人船动力学模型如下：

其中，下角标i代表第i艘欠驱动无人船；x_i、y_i、ψ_i∈R分别代表欠驱动无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；u_i、v_i、r_i∈R分别代表欠驱动无人船在船体坐标系下的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir∈R是欠驱动无人船在船体坐标系下的各向惯性系数；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)∈R是欠驱动无人船各向的不确定性；t_iwu、t_iwv、t_iwr∈R代表外界对欠驱动无人船的三向扰动；τ_iu、τ_ir∈R是欠驱动无人船的控制力；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、避碰和连通保持控制器的设计

避碰和连通保持控制器的输入信号有欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i、从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船位置信号x_j、y_j以及给定环境障碍物信息x_k、y_k；经计算，所述的避碰和连通保持控制器的输出信号表示为：

其中，p_i＝(x_i，y_i)是第i艘欠驱动无人船的位置信号，p_ij＝p_i-p_j是i，j两船之间的距离；p_k＝(x_k，y_k)是第k个环境障碍物的位置，p_ik＝p_i-p_k是第i艘欠驱动无人船与第k个障碍物之间的距离；R_c、r_c分别是给定的两艘欠驱动无人船互相避碰的检测距离上、下界；R_o、r_o分别是给定的欠驱动无人船躲避障碍物的检测距离上、下界；R_m、r_m分别是给定的两艘欠驱动无人船触发联通保持的检测距离上、下界；

B、协同跟踪控制器的设计

协同跟踪控制器的输入信号包括避碰和连通保持控制器的输出信号 受控欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i以及从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船的位置和速度信号x_j、y_j、ψ_j、协同跟踪控制器的输出信号e_v表示如下：

式中：

为第i艘欠驱动无人船的跟踪误差，其中e_ij＝p_i-p_j-p_ijd，a_ij＝1代表第j艘欠驱动无人船将信息传给第i艘欠驱动无人船，a_i0＝1代表第i艘欠驱动无人船能够直接获得路径信息，其他情况下a_ij＝0；表示第j艘欠驱动无人船位置的时间导数，即第j艘欠驱动无人船在地球坐标系中的x轴方向速度和y轴方向速度，可由经坐标变换矩阵R_j变换得出；p_ijd为队形信息；为时变队形中时变部分的时间导数；K_1i为设定的控制器增益；Δ_1i为饱和常数；a_is为通讯拓扑上第i艘欠驱动无人船获得路径信息来源的数量；

C、速度转换器的设计

速度转换器的输入信号为协同跟踪控制器的输出信号e_v和观测器的输出信号其输出信号经过下列公式计算得出：

由上式求得：

Δ_ψ＝atan2(sinΔ_ψ，cosΔ_ψ)

进一步计算得到：

式中，V_i＝(V_ix，V_iy)表示欠驱动无人船在地球坐标系下的水平方向和垂直方向速度，由经过坐标变换矩阵R_i得出；Δ_ψ表示欠驱动无人船艏摇角与参考速度方向之间的偏差；k_i为控制转换参数；∈_i为饱和常数；

D、非线性微分跟踪器的设计

非线性微分跟踪器的输入信号为速度转换器的输出信号其输出信号经下式计算得出：

式中，k_i1、k_i2、ρ_i1、ρ_i2、γ_i为设计参数；

E、扩张状态观测器的设计

扩张状态观测器的输入信号为动力学控制器的输出信号τ_i和欠驱动无人船输出的状态信息x_i、y_i、ψ_i；其输出信号由下式计算得出：

式中，η_i＝(x_i，y_i，ψ_i)是第i艘欠驱动无人船的位置和角度；为第i艘欠驱动无人船位置和角度的观测值；为三维观测器增益矩阵；R_i(ψ_i)为坐标变换矩阵；m_i为欠驱动无人船的质量惯性矩阵；

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号包括速度转换器的输出信号非线性微分跟踪器的输出信号扩张状态观测器的输出信号动力学控制器的输出信号τ_i＝(τ_iu，τ_ir)由下式给出：

式中，为欠驱动无人船的观测速度与速度转换器给出的参考速度的差；K_2iu、K_2ir为动力学控制增益；Δ_2iu、Δ_2ir为饱和常数。