CN109799818B - 多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接。本发明采用分布式控制结构，编队中仅有部分无人船能够直接获取领航者的信息，其它无人船只能获取邻近的无人船信息。与集中式控制结构相比，分布式控制结构能够更加高效地利用无人船编队内部有限的资源，具有容错性好、数据传输量小、节约通信带宽，方便扩展等优点，使得该协同操纵控制器更有利于实际应用。本发明不仅可以实现无人船协同跟踪控制，而且可以分别控制无人船编队满足指定的性能，实现了无人船协同操纵控制。

Description

多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，特别是一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器设计方法。

背景技术

二十一世纪是海洋的世纪，大国间围绕着海洋领土、海洋资源以及海洋经济等问题展开激烈的博弈，为了抢占海洋开发制高点，许多国家加大了在海洋装备研制方面的投入。在众多海洋装备中，智能无人船因其活动范围广、造价低廉、可回收等优点越来越受到重视。但是单个无人船能力有限，因此在一些具体任务中，可以考虑智能无人船编队协同作业，以提高工作能力与工作效率。目前，针对多无人船协同控制问题，已有许多可行的解决方法。

中国专利CN 107037816A公开了一种多无人船编队系统的控制方法，分别设计了无人船舰载系统与岸基监控系统。该方法以岸基上位机作为主控节点，采用轮询控制方式对多无人船进行控制，实现编队的协同跟踪控制，对目标水域进行无死角的拉网式搜索。与传统单船作业相比，该方法可以提高作业效率与作业精度。

中国专利CN 108153311 A公开了一种面向无人船编队的智能控制系统及控制方法，它由岸基监控系统、跟随艇和领航艇构成。无人船编队中，一艘艇作为领航艇，按预先设定轨迹行进；其他艇作为跟随艇，以‘领导者-跟随者’编队模式进行运动；岸基监控系统作为编队上位机，主要用于控制编队运动与实时显示轨迹。该方法根据领航艇与跟随艇的位置和艏向信息，智能控制无人船编队，进而实现整个无人船编队的协同跟踪控制。

但上述及许多已公布的专利中仍然存在以下问题：

第一，在现有的无人船协同控制方法中，领航者的信息大多需要被编队内部的每艘无人船访问，从而导致了一种典型的集中式控制方案。这种控制方案要求领航者具有极高的通信速度与通信带宽，但是由于现实中的海洋环境复杂多变，制约了领航者，乃至整个无人船编队的通信能力，因此集中式控制结构并不是无人船协同控制的最佳方案。

第二，在现有的无人船协同控制方法中，领航者信息大多数被转化为时间相关的轨迹。时间相关轨迹导引下的无人船协同控制器仅能实现多无人船的协同跟踪控制，无法直接实现对无人船编队其它动态性能的控制，如速度和加速度等，这一点限制了许多无人船协同控制方法的应用。

第三，在现有无人船协同控制方法中，无人船编队的队形通常依靠内部无人船之间的通信拓扑确定与维持，即队形确定后通信拓扑也会固定。但是实际应用中，通信拓扑可能会随着编队内部环境变化而发生改变，这可能会导致无人船编队无法保持预期的队形。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种采用分布式控制结构，不仅能同时完成跟踪控制与动态性能控制，而且不完全依赖通信拓扑维持队形的多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器，包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；

所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端与无人船的输入端相连。所述的跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器共同组成协同操纵制导模块。

所述的领航者控制器单元包括领航者参数协同误差生成器、协同操纵信息生成器、比例放大器、参考速度生成器、领航者、比较器A、比较器B、积分器 A和积分器B；领航者参数协同误差生成器的输入端分别与领航者的输出端和通讯网络相连；协同操纵信息生成器的输入端分别与领航者参数协同误差生成器的输出端、领航者的输出端和通讯网络相连；比较器A的输入端分别与协同操纵信息生成器的输出端以及积分器A的输出端相连；比例放大器的输入端与比较器A的输出端相连；积分器A的输入端与比例放大器的输出端相连；比较器 B的输入端分别与积分器A的输出端以及参考速度生成器的输出端相连；积分器B的输入端与比较器B的输出端相连；领航者的输入端与积分器B的输出端相连。所述的领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成领航者协同信息处理模块；所述的比较器A、比例放大器和积分器A组成滤波模块；所述的比较器B、参考速度生成器和积分器B组成路径参数更新模块。

多参数化路径导引的自主无人船协同操纵控制器的设计方法，所述的无人船可用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的无人船；x_i,1＝[p_i,q_i,ψ_i]^T表示地球坐标系下无人船的横向位置、纵向位置与船舶航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的坐标变换矩阵，表示为：

x_i,2代表船体坐标系下无人船的速度向量；M_i代表无人船的惯性矩阵；u_i表示无人船的控制输入力矩；f_i(x_i,1,x_i,2)为无人船中的不确定性非线性动态；w_i代表由外部海洋环境产生的扰动。

通讯网络的结构如下：

无人船编队的通讯网络由N个节点组成，其中含有M个无人船节点和N-M 个领航者节点，这里的领航者节点个数可由编队的期望队形确定。通讯网络结构可用图G描述：

其中，集合V代表编队内部包含M艘无人船和N-M个领航者；集合ε表示编号为i的节点与编号为j的节点之间存在通信联系。M艘无人船与N-M个领航者的通讯关系用下面的邻接矩阵A描述：

当a_i,j＝1时，则表示编号为j的节点的信息传递给编号为i的节点，即编号为 j的节点是编号为i的节点的邻居；其他情况下a_i,j＝0。

对于编号为i的无人船节点，定义两个集合F_i和L_i，分别代表该无人船节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合。

对于编号为j的领航者节点，定义两个集合F_j和L_j，分别代表该领航者节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合。

所述的的设计方法，包括以下步骤：

A、无人船控制器单元

A1、协同操纵制导模块的设计

协同操纵制导模块由跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器组成。

跟随者间协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号 x_i,1、与邻居无人船地球坐标系下的位置信号x_j,1,j∈F_i；所述的跟随者间协同误差生成器的输出信号

设计为：

其中，g_F(·)是关于x_i,1和x_j,1的函数。

与领航者协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号 x_i,1和邻居领航者的路径信号η_jr(θ_j),j∈L_i；所述的与领航者协同误差生成器的输出信号

设计为：

其中，g_L(·)是关于x_i,1和η_jr(θ_j)的函数，θ_j为领航者的路径参数。

与

经过求和器求和：

得到无人船地球坐标系下的协同操纵误差s_i。

将s_ie进行坐标变换，得到协同操纵制导模块的输出信号s_i

s_i＝R^-1(ψ_i)s_ie (5)

其中，R^-1(ψ_i)为R(ψ_i)的逆矩阵。

A2、控制模块的设计

控制模块的输入信号为协同操纵制导模块的输出信号，所述的控制模块的输出信号u_i设计为：

u_i＝g_u(s_i) (6)

其中，g_u(·)是关于s_i的函数。

B、领航者控制器单元

B1、领航者协同信息处理模块的设计

领航者协同信息处理模块由领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成。

领航者参数协同误差生成器的输入信号包括领航者的路径参数信号θ_j和邻居领航者的路径参数信号θ_r,r∈L_j；所述的领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j设计为：

e_j＝h_e(θ_j,θ_r) (7)

其中，h_e(·)是关于θ_j与θ_r的函数。

协同操纵信息生成器的输入信号包括领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j、领航者的路径信号η_jr(θ_j)、领航者的路径参数θ_j和邻居无人船协同操纵制导模块的输出信号s_i,i∈F_j；所述的协同操纵信息生成器的输出信号，即领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j设计为：

其中，μ_j为增益常数，h_a(·)是关于

s_i和e_j的函数，

为领航者路径信号的导数，

为领航者路径参数的导数。

B2、滤波模块的设计

滤波模块由比较器A、比例放大器和积分器A组成。

将积分器A的输出信号ω_j和领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j通过比较器A进行比较，比较器A的输出信号通过比例放大器放大λ_j倍，作为积分器 A的输入信号。所述的积分器A的输出信号，即滤波模块的输出信号ω_j设计为：

ω_j＝∫λ_j(υ_j-ω_j)dt (9)

B3、路径参数更新模块的设计

路径参数更新模块由比较器B、参考速度生成器和积分器B组成。

将滤波模块的输出信号ω_j与参考速度生成器的输出信号v_s通过比较器B进行对比，比较器B的输出信号作为积分器B的输入信号。所述的积分器B的输出信号，即路径参数更新模块的输出信号θ_j设计为：

θ_j＝∫(v_s-ω_j)dt (10)

以上无人船控制器单元与领航者控制器单元共同构成多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有领航路径全局已知的集中式无人船协同控制器相比，本发明采用分布式控制结构，编队中仅有部分无人船能够直接获取领航者的信息，其它无人船只能获取邻近的无人船信息。与集中式控制结构相比，分布式控制结构能够更加高效地利用无人船编队内部有限的资源，具有容错性好、数据传输量小、节约通信带宽，方便扩展等优点，使得该协同操纵控制器更有利于实际应用。

第二，与现有的考虑时间轨迹导引的无人船协同跟踪控制器相比，本发明通过使用多参数化路径引导多无人船进行编队行进，不仅可以实现无人船协同跟踪控制，而且可以分别控制无人船编队满足指定的性能，如给定速度等，达到对跟踪控制目标与动态控制目标的独立控制，实现了无人船协同操纵控制。

第三，与现有的依靠编队内部通信拓扑实现协同的无人船协同控制器相比，本发明中引入了路径参数，无人船编队队形可以通过设计路径参数更新策略与更新方式实现，这种方法不完全依赖编队内部无人船之间的通信关系，与已有方法相比，实施起来更加灵活高效。

附图说明

本发明共有附图5张，其中：

图1是多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器结构示意图。

图2是无人船编队协同操纵运动轨迹示意图。

图3是六艘无人船协同操纵误差曲线图。

图4是六艘无人船控制输入曲线图。

图5是三个领航者路径参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。本发明设计的多参数化路径导引下的无人船协同操纵控制器的结构如图1所示，下面以一个六艘无人船和三个领航者组成的无人船编队为例，对本发明进行进一步说明。本实施例中，无人船编队中包含六个无人船节点(编号1-6)和三个领航者节点(编号7-9)，其中， 1号、3号、4号和6号无人船可以直接获得领航者的信息，2号无人船和5号无人船只能获得邻居无人船的信息。本实施例的控制目标是无人船编队的协同操纵控制器在满足式(2)-(10)的情况下，六艘无人船能够跟踪三个领航者的参数化路径形成的闭包，并且三个领航者的路径参数实现协同。

仿真结果如图2-5所示。图2给出了整个无人船编队的协同操纵运动轨迹，图中的实线为领航者的参数化路径轨迹，虚线为六艘无人船的运动轨迹，从图中可以明显看出，六艘无人船能够准确跟踪三个领航者的参数化路径形成的闭包，整个无人船编队实现了协同操纵。图3给出了六艘无人船的协同操纵误差曲线，这里对六个无人船协同操纵误差取范数。从图中可以看出，协同操纵误差最终收敛到原点附近。图4给出了六艘无人船的控制输入曲线，同样这里对六个无人船的控制输入取范数。图5给出了三个领航者的路径参数的曲线，从图中可以明显看出，三个领航者的路径参数的曲线实现了协同。

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 (1)

1.多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法，所述的多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；

所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端与无人船的输入端相连；所述的跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器共同组成协同操纵制导模块；

所述的领航者控制器单元包括领航者参数协同误差生成器、协同操纵信息生成器、比例放大器、参考速度生成器、领航者、比较器A、比较器B、积分器A和积分器B；领航者参数协同误差生成器的输入端分别与领航者的输出端和通讯网络相连；协同操纵信息生成器的输入端分别与领航者参数协同误差生成器的输出端、领航者的输出端和通讯网络相连；比较器A的输入端分别与协同操纵信息生成器的输出端以及积分器A的输出端相连；比例放大器的输入端与比较器A的输出端相连；积分器A的输入端与比例放大器的输出端相连；比较器B的输入端分别与积分器A的输出端以及参考速度生成器的输出端相连；积分器B的输入端与比较器B的输出端相连；领航者的输入端与积分器B的输出端相连；所述的领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成领航者协同信息处理模块；所述的比较器A、比例放大器和积分器A组成滤波模块；所述的比较器B、参考速度生成器和积分器B组成路径参数更新模块；

其特征在于：所述的无人船用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的无人船；x_i,1＝[p_i,q_i,ψ_i]^T表示地球坐标系下无人船的横向位置、纵向位置与船舶航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的坐标变换矩阵，表示为：

x_i,2代表船体坐标系下无人船的速度向量；M_i代表无人船的惯性矩阵；u_i表示无人船的控制输入力矩；f_i(x_i,1,x_i,2)为无人船中的不确定性非线性动态；w_i代表由外部海洋环境产生的扰动；

通讯网络的结构如下：

无人船编队的通讯网络由N个节点组成，其中含有M个无人船节点和N-M个领航者节点，这里的领航者节点个数由编队的期望队形确定；通讯网络结构用图G描述：

其中，集合V代表编队内部包含M艘无人船和N-M个领航者；集合ε表示编号为i的节点与编号为j的节点之间存在通信联系；M艘无人船与N-M个领航者的通讯关系用下面的邻接矩阵A描述：

当a_i,j＝1时，则表示编号为j的节点的信息传递给编号为i的节点，即编号为j的节点是编号为i的节点的邻居；其他情况下a_i,j＝0；

对于编号为i的无人船节点，定义两个集合F_i和L_i，分别代表该无人船节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；

对于编号为j的领航者节点，定义两个集合F_j和L_j，分别代表该领航者节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、无人船控制器单元

A1、协同操纵制导模块的设计

协同操纵制导模块由跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器组成；

跟随者间协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号x_i,1、与邻居无人船地球坐标系下的位置信号x_j,1,j∈F_i；所述的跟随者间协同误差生成器的输出信号

设计为：

其中，g_F(·)是关于x_i,1和x_j,1的函数；

与领航者协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号x_i,1和邻居领航者的路径信号η_jr(θ_j),j∈L_i；所述的与领航者协同误差生成器的输出信号

设计为：

其中，g_L(·)是关于x_i,1和η_jr(θ_j)的函数，θ_j为领航者的路径参数；

与

经过求和器求和：

得到无人船地球坐标系下的协同操纵误差s_i；

将s_ie进行坐标变换，得到协同操纵制导模块的输出信号s_i

s_i＝R^-1(ψ_i)s_ie (5)

其中，R^-1(ψ_i)为R(ψ_i)的逆矩阵；

A2、控制模块的设计

控制模块的输入信号为协同操纵制导模块的输出信号，所述的控制模块的输出信号u_i设计为：

u_i＝g_u(s_i) (6)

其中，g_u(·)是关于s_i的函数；

B、领航者控制器单元

B1、领航者协同信息处理模块的设计

领航者协同信息处理模块由领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成；

领航者参数协同误差生成器的输入信号包括领航者的路径参数信号θ_j和邻居领航者的路径参数信号θ_r,r∈L_j；所述的领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j设计为：

e_j＝h_e(θ_j,θ_r) (7)

其中，h_e(·)是关于θ_j与θ_r的函数；

协同操纵信息生成器的输入信号包括领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j、领航者的路径信号η_jr(θ_j)、领航者的路径参数θ_j和邻居无人船协同操纵制导模块的输出信号s_i,i∈F_j；所述的协同操纵信息生成器的输出信号，即领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j设计为：

其中，μ_j为增益常数，h_a(·)是关于

s_i和e_j的函数，

为领航者路径信号的导数，

为领航者路径参数的导数；

B2、滤波模块的设计

滤波模块由比较器A、比例放大器和积分器A组成；

将积分器A的输出信号ω_j和领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j通过比较器A进行比较，比较器A的输出信号通过比例放大器放大λ_j倍，作为积分器A的输入信号；所述的积分器A的输出信号，即滤波模块的输出信号ω_j设计为：

ω_j＝∫λ_j(υ_j-ω_j)dt (9)

B3、路径参数更新模块的设计

路径参数更新模块由比较器B、参考速度生成器和积分器B组成；

将滤波模块的输出信号ω_j与参考速度生成器的输出信号v_s通过比较器B进行对比，比较器B的输出信号作为积分器B的输入信号；所述的积分器B的输出信号，即路径参数更新模块的输出信号θ_j设计为：

θ_j＝∫(v_s-ω_j)dt (10)

以上无人船控制器单元与领航者控制器单元共同构成多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器。

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