CN109917795B - 一种欠驱动无人船集群协同制导结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动无人船集群协同制导结构及设计方法，所述的结构包括协同误差计算模块、路径参数更新模块、速度前馈模块、包含操纵控制器和速度转换模块。本发明在实际应用针对欠驱动无人船的控制方法有着更高的应用价值。本发明采用了根据跟踪误差同步更新的参数化路径，能够实现多条路径同步更新以及控制过程中的参考路径点的调整，避免了欠驱动无人船跟不上目标轨迹的问题。本发明考虑了欠驱动无人船自身横漂速度对协同控制的影响，可以使欠驱动无人船不会因为横漂速度而出现跟踪误差变大以及频繁偏离轨迹等问题。本发明属于分布式控制方法，在大规模欠驱动无人船的协同控制应用中比集中式控制更加有利。

Description

一种欠驱动无人船集群协同制导结构及设计方法

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，尤其涉及一种欠驱动无人船集群协同制导结构及设计方法。

背景技术

当今时代，海洋资源越来越得到各国的重视。无人船因其具有小型化、轻量化、智能化等特点，是人们探索、开发和利用海洋的一种重要工具。在很多情况下，单条无人船的能力有限，难以完成一些任务，而多条无人船的协同合作可以克服这一缺陷。作为多无人船协同的一种形式，多无人船包含操纵控制是指多无人船之中存在多个领导者跟踪多条参数化轨迹，同时，其它无人船个体按照设定好的关系排布在领导者中间，组成某种队形整体前进。这种多无人船的协同控制方式在水文监测、海域搜救、目标拦截等领域有着极大的应用价值，因此也有着重要的研究意义。

在多无人船的包含操纵控制方面，国内外学者已经取得了一些进展。从控制器设计方面来看，现有多无人船协同编队控制方法仍存在着以下不足：第一，现有的多无人船的包含操纵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，绝大多数的船舶都无法获取侧向推力，属于欠驱动系统。第二，现有多无人船的包含操纵控制研究大多都是采用给定的固定参考轨迹，而在实际应用中，可能会有一些因素导致无人船偏离给定轨迹，从而无法继续跟上给定轨迹。第三，现有的很多对无人船的协同控制研究都没有考虑横漂速度带来的影响，在实际应用中的各种因素影响下，无人船会存在一定的横漂速度，对控制造成一些影响。第四，现有的大多数无人船的协同编队控制方法中都需要所有个体获取路径参数信息，属于集中式控制，而集中式控制需要存在一个具有很大通讯带宽的控制中心节点，所以不利于应用在大规模无人船的协同控制中。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明要提出一种能够适用于欠驱动无人船、稳定地跟上参考轨迹、能够抵消欠驱动无人船的横漂速度对控制的影响、并且在控制过程中不需要全局信息的欠驱动无人船集群协同制导结构及设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种欠驱动无人船集群协同制导结构，包括协同误差计算模块、路径参数更新模块、速度前馈模块、包含操纵控制器和速度转换模块；所述的协同误差计算模块的两个输入端分别与欠驱动无人船的输出端和欠驱动无人船通讯网络相连、输出端分别与包含操纵控制器和欠驱动无人船通讯网络相连；所述的速度前馈模块的输入端与欠驱动无人船通讯网络相连，其输出端连接到包含操纵控制器；所述的包含操纵控制器的另一个输入端与欠驱动无人船的输出端相连，输出端与速度转换模块相连；所述的速度转换模块的两个输入端分别与包含操纵控制器和受控欠驱动无人船的输出端相连，输出端连接到速度角度控制模块，也就是欠驱动无人船的动力学控制模块。所述的路径参数更新模块与虚拟领导者通讯网络双向连接；所述的虚拟领导者通讯网络与欠驱动无人船通讯网络双向连接。

一种欠驱动无人船集群协同制导结构的设计方法，只针对多欠驱动无人船协同控制的运动学部分进行设计。所述的欠驱动无人船的运动学模型如下：

其中，下标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。

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、设计协同误差计算模块

协同误差计算模块的输入信号有欠驱动无人船的位置信号p_i＝[x_i,y_i]^T、从欠驱动无人船通讯网络中获取的其他欠驱动无人船位置信号p_j＝[x_j,y_j]^T以及给定参考路径信息p_kr(θ_k)＝[x_k(θ_k),y_k(θ_k)]^T；经计算，所述的协同误差计算模块的输出信号e_i表示为：

其中，下标i代表第i艘欠驱动无人船，下标j代表第j艘欠驱动无人船，且有i∈[1,M],j∈[1,M]，下标k代表第k条参数化路径，k∈[M+1,N]；M为欠驱动无人船的总数量；N为欠驱动无人船与参考路径的数量之和；N攀M为参考路径的总数量；a_ij、a_ik分别代表欠驱动无人船之间、欠驱动无人船与参考路径之间的连通关系，若第i艘欠驱动无人船从第j艘欠驱动无人船、第k条参数化路径处获取信息则其值为1，否则为0。

B、设计路径参数更新模块

路径参数更新模块的输入信号为从虚拟领导者通讯网络中获取的其他参考路径参数θ_l以及欠驱动无人船的协同误差计算模块的输出信号e_i,i＝1,2…M；协同跟踪控制器的输出信号为p_kr(θ_k)和

其中θ_k经过下式计算得出：

其中，υ_s代表参考速度；

是路径更新参数；μ_k为设计参数；a_kl＝1代表路径k与路径l有关联，反之则a_kl＝0；a_ki＝1代表路径k与欠驱动无人船i有关联，反之则a_ki＝0；

为给定参考路径信息p_kr(θ_k)＝[x_k(θ_k),y_k(θ_k)]^T对θ_k的导数。

C、设计速度前馈模块

速度前馈模块的输入信号包括从欠驱动无人船通讯网络中获取路径参数更新模块的输出信号

和其他欠驱动无人船的速度信息

其输出信号V_if经过如下计算得出：

D、设计包含操纵控制器

包含操纵控制器的输入信号为协同误差计算模块的输出信号e_i、速度前馈模块的输出信号V_if以及欠驱动无人船的输出信号v_i、Ψ_i；其输出信号α_i经下式计算得出：

式中，K_1i为包含操纵控制器增益；Δ_1i为饱和常数；

为与欠驱动无人船的路径信息来源数量。

E、设计速度转换模块

速度转换模块的输入信号为包含操纵控制器的输出信号α_i和欠驱动无人船的速度和角度信息u_i、v_i、Ψ_i；其输出信号

经过下列公式计算得出：

由上式求得：

e_iΨ＝atan2(sin(e_iΨ),cos(e_iΨ)) (7)

进一步计算得到：

式中，

表示欠驱动无人船在地球坐标系下的速度向量，R_i为旋转矩阵；

表示欠驱动无人船艏摇角与参考速度方向之间的偏差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有很多针对全驱动欠驱动无人船设计的协同控制器相比，本发明提出的欠驱动无人船集群协同制导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简单，设计、生产也更加简易，所以在实际应用针对欠驱动无人船的控制方法有着更高的应用价值，故本方法有着更加广阔的利用前景。

第二，与现有的一些欠驱动无人船集群协同制导控制方法相比，本发明提出的欠驱动无人船集群协同制导控制方法采用了根据跟踪误差同步更新的参数化路径，能够实现多条路径同步更新以及控制过程中的参考路径点根据实际跟踪误差做出调整，避免了一些因素导致欠驱动无人船跟不上目标轨迹的问题。

第三，与现有的很多对欠驱动无人船的协同控制研究相比，本发明提出的欠驱动无人船集群协同制导控制方法考虑了欠驱动无人船自身横漂速度对协同控制的影响，从而在实际应用中可以使欠驱动无人船不会因为环境扰动或者自身转向带来的横漂速度而出现跟踪误差变大以及频繁偏离轨迹等问题。

第四，与现有的大多数欠驱动无人船的协同编队控制方法相比，本发明提出的欠驱动无人船集群协同制导控制方法中，只有部分欠驱动无人船需要接触到参考轨迹信息，没有全部欠驱动无人船都需要获得的全局信息，属于分布式控制方法，在大规模欠驱动无人船的协同控制应用中比集中式控制更加有利。

附图说明

图1是五艘欠驱动无人船包含操纵控制器结构示意图。

图2是五艘欠驱动无人船包含操纵通讯拓扑图。

图3是五艘欠驱动无人船的包含操纵运动轨迹示意图。

图4是五艘欠驱动无人船x方向包含操纵跟踪误差曲线。

图5是五艘欠驱动无人船y方向包含操纵跟踪误差曲线。

图6是五艘欠驱动无人船包含操纵中三条参考轨迹的路径参数曲线。

图7是五艘欠驱动无人船的包含操纵给出的参考纵荡速度曲线。

图8是五艘欠驱动无人船的包含操纵给出的参考偏航角曲线。

具体实施方式

下面用一个具体的五艘欠驱动无人船的包含操纵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，图中速度角度控制模块为欠驱动无人船的动力学控制器，将速度转换模块输出的参考速度和角度信号转化为控制力信号输出给欠驱动无人船。欠驱动无人船的运动学模型如式(1)中所示。

包含操纵控制过程中五艘欠驱动无人船的通讯拓扑如图2所示，图中1-5号标签表示欠驱动无人船，6-8号标签表示参考路径。1、3、5号船分别从6、7、8号参考路径处获取路径信息；1、3号船将路径参数信息发送给2号船，3、5号船将路径参数信息发送给4号船。

本实例中所用的包含操纵控制器满足式(2)-(8)所描述的包含操纵控制器结构，具体的包含操纵控制器参数如下：

υ_s＝1,μ_k＝1,K_1i＝diag[0.1 0.02],Δ_1i＝1,d₁＝d₃＝d₅＝1,d₂＝d₄＝2；

包含操纵控制器中采用的坐标变换矩阵如下：

包含操纵控制采用的一些初始条件如下：

p₁₀＝[0,3]^T,p₂₀＝[0,0]^T,p₃₀＝[0,-5]^T,p₄₀＝[0,-10]^T,p₅₀＝[0,-15]^T

Ψ_i0＝0,u_i0＝v_i0＝r_i0＝0,i＝1,2…5

仿真结果如图3-8所示。图3是五艘欠驱动无人船的包含操纵运动轨迹，图中的粗实线为给定的参考路径，虚线为五艘欠驱动无人船的实际运动轨迹。从图中可以看出1、3、5号欠驱动无人船跟踪上了给定的参数化路径，2、4号欠驱动无人船始终保持在1、3和3、5号欠驱动无人船中间位置，符合包含操纵控制要求。图4和5是五艘欠驱动无人船x、y方向包含操纵跟踪误差，图中可以看出跟踪误差快速收敛至零并保持，仅在欠驱动无人船编队整体转弯时y方向包含操纵跟踪误差会有一些波动。图6是五艘欠驱动无人船包含操纵中三条参考轨迹的路径参数，从图中可以三条轨迹的路径参数同步更新且更新速度稳定。图7显示的是五艘欠驱动无人船的包含操纵给出的参考纵荡速度，图中可以看出控制器输出的参考速度保持在一定范围内且过渡平稳。图8是五艘欠驱动无人船的包含操纵给出的参考偏航角，图中可以看出控制器输出的参考偏航角过渡平稳，没有异常变化。

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)

1.一种欠驱动无人船集群协同制导结构的设计方法，所述的欠驱动无人船集群协同制导结构包括协同误差计算模块、路径参数更新模块、速度前馈模块、包含操纵控制器和速度转换模块；所述的协同误差计算模块的两个输入端分别与欠驱动无人船的输出端和欠驱动无人船通讯网络相连、输出端分别与包含操纵控制器和欠驱动无人船通讯网络相连；所述的速度前馈模块的输入端与欠驱动无人船通讯网络相连，其输出端连接到包含操纵控制器；所述的包含操纵控制器的另一个输入端与欠驱动无人船的输出端相连，输出端与速度转换模块相连；所述的速度转换模块的两个输入端分别与包含操纵控制器和受控欠驱动无人船的输出端相连，输出端连接到速度角度控制模块，也就是欠驱动无人船的动力学控制模块；所述的路径参数更新模块与虚拟领导者通讯网络双向连接；所述的虚拟领导者通讯网络与欠驱动无人船通讯网络双向连接；

所述的欠驱动无人船集群协同制导结构的设计方法，只针对多欠驱动无人船协同控制的运动学部分进行设计；所述的欠驱动无人船的运动学模型如下：

其中，下标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；

其特征在于：所述的设计方法，包括以下步骤：

A、设计协同误差计算模块

协同误差计算模块的输入信号有欠驱动无人船的位置信号p_i＝[x_i,y_i]^T、从欠驱动无人船通讯网络中获取的其他欠驱动无人船位置信号p_j＝[x_j,y_j]^T以及给定参考路径信息p_kr(θ_k)＝[x_k(θ_k),y_k(θ_k)]^T；经计算，所述的协同误差计算模块的输出信号e_i表示为：

其中，下标i代表第i艘欠驱动无人船，下标j代表第j艘欠驱动无人船，且有i∈[1,M],j∈[1,M]，下标k代表第k条参数化路径，k∈[M+1,N]；M为欠驱动无人船的总数量；N为欠驱动无人船与参考路径的数量之和；N-M为参考路径的总数量；a_ij、a_ik分别代表欠驱动无人船之间、欠驱动无人船与参考路径之间的连通关系，若第i艘欠驱动无人船从第j艘欠驱动无人船、第k条参数化路径处获取信息则其值为1，否则为0；

B、设计路径参数更新模块

路径参数更新模块的输入信号为从虚拟领导者通讯网络中获取的其他参考路径参数θ_l以及欠驱动无人船的协同误差计算模块的输出信号e_i,i＝1,2…M；协同跟踪控制器的输出信号为p_kr(θ_k)和

其中θ_k经过下式计算得出：

其中，υ_s代表参考速度；

是路径更新参数；μ_k为设计参数；a_kl＝1代表路径k与路径l有关联，反之则a_kl＝0；a_ki＝1代表路径k与欠驱动无人船i有关联，反之则a_ki＝0；

为给定参考路径信息p_kr(θ_k)＝[x_k(θ_k),y_k(θ_k)]^T对θ_k的导数；

C、设计速度前馈模块

速度前馈模块的输入信号包括从欠驱动无人船通讯网络中获取路径参数更新模块的输出信号

和其他欠驱动无人船的速度信息

其输出信号V_if经过如下计算得出：

D、设计包含操纵控制器

包含操纵控制器的输入信号为协同误差计算模块的输出信号e_i、速度前馈模块的输出信号V_if以及欠驱动无人船的输出信号v_i、ψ_i；其输出信号α_i经下式计算得出：

式中，K_1i为包含操纵控制器增益；Δ_1i为饱和常数；

为与欠驱动无人船的路径信息来源数量；

E、设计速度转换模块

速度转换模块的输入信号为包含操纵控制器的输出信号α_i和欠驱动无人船的速度和角度信息u_i、v_i、ψ_i；其输出信号

经过下列公式计算得出：

由上式求得：

e_iψ＝atan2(sin(e_iψ),cos(e_iψ)) (7)

进一步计算得到：

式中，

R_i表示欠驱动无人船在地球坐标系下的速度向量，R_i为旋转矩阵；

表示欠驱动无人船艏摇角与参考速度方向之间的偏差。

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