CN109933074A - 一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构及设计方法，所述的结构包括领导者运动学控制器、群集运动学控制器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器。本发明的控制器可以实现多无人船沿单条给定轨迹运动的行为，同时本发明提出的方法也能更好地排除干扰，稳定地跟踪轨迹。本发明针对无人船运动模型设计，并考虑了无人船航向角的控制，具有更高的应用价值。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通过无人船的位置信息获取速度信息，可以在实际应用中节省成本，减小体积。本发明利用双曲正切函数取消了控制器中对领导者的速度信息的要求，没有全局量的出现，从而可以使用分布式的连通结构进行控制。

Description

一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构及设计方法

技术领域

本发明涉及全驱动无人船群集运动控制领域，尤其涉及一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构及设计方法。

背景技术

21世纪以来，各国已经越来越重视海洋资源的开发和利用。无人船因其具有轻量化、自主化等特点，利用起来十分简易，已经成为人们探索、开发海洋的重要工具。而面对一些任务时，单条无人船的能力有限，多条无人船的协同合作则可以相对轻松地完成。因此对于多无人船的协同控制的研究迅速成为各国的研究热点。多无人船的群集运动控制作为多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。在有领导者存在的群集运动控制中，所有个体都需要聚集在领导者附近运动，而领导者可以按照给定的模式行动，从而使整体自发形成固定队形运动，而不用事先输入编队控制信息指定每个个体在编队中的位置，在实际应用中更为简便。因此对于有领导者的多无人船群集运动控制的研究有着非常重要的意义。

在多无人船群集运动控制方面，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。从控制器设计方面来看，现有多无人船群集运动控制方法仍存在着以下不足：第一，一些现有的多无人船群集运动控制研究中，多无人船中并无领导者导致其只能集体靠拢，而在另一些研究中，多无人船群体中虽然有领导者，但领导者只能通过预先设定的速度前进，很容易受到环境影响而无法按照指定轨迹行驶。第二，很多现有的多无人船群集运动控制研究大都没有考虑个体的运动学部分，只是简单地使用一个质点代表一个个体，这些研究同样没有对个体的航向进行控制，导致这些研究的应用价值很弱。第三，现有的很多无人船群集运动控制研究均是基于状态反馈的基础上开展的，需要无人船的速度信息来实现控制，而在实际应用中很难在小型无人船上通过传感器获取准确的速度信息，因此在小型无人船上很多现有方法的控制效果要低于预期。第四，现有的很多有领导者的无人船群集运动控制研究中，所有个体都需要获得领导者的位置以及速度信息，而在实际应用中，这样一个全局量的存在会限制分布式通讯网络的使用。

发明内容

为解决现有技术中存在上述不足，本发明要提出一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构及设计方法，该方法中的领导者能够跟踪指定轨迹，能够在无人船的运动学模型上应用并且对无人船的航向进行控制，在控制中不需要对速度量进行测量，并且在控制过程中不需要全局量的存在。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构，包括领导者运动学控制器、群集运动学控制器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器；所述的领导者运动学控制器的两个输入端分别与无人船的输出端和通讯网络相连、输出端与非线性微分跟踪器相连；所述的群集运动学控制器的两个输入端分别与无人船的输出端和通讯网络相连、输出端连接到非线性微分跟踪器的输入端；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、另一个输入端与无人船的输出端相连，扩张状态观测器的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无人船的输入端连接。

一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构的设计方法，所述的无人船运动学模型如下：

所述的无人船动力学模型如下：

其中，下角标i代表第i艘无人船；x_i、y_i、ψ_i∈R分别代表无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及航向；u_i、v_i、r_i∈R分别代表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分别是无人船在船体坐标系下的纵向、横向和艏摇惯性系数；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)∈R分别是无人船纵向、横向和艏摇的不确定性；t_iwu、t_iwv、t_iwr∈R分别代表外界对无人船的纵向、横向和艏摇方向扰动；τ_iu、τ_iv、τ_ir∈R分别是无人船的纵向、横向和艏摇控制力。

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、领导者运动学控制器的设计

领导者运动学控制器是针对多无人船中的领导者设计，其输入信号包括受控无人船的位置信号η₀＝(x₀、y₀、ψ₀)以及从通讯网络中获取的给定轨迹信号η_r；领导者运动学控制器的输出信号表示如下：

式中：

K₁为设定的控制器增益；Δ₁为饱和常数；为坐标变换矩阵的转置；为给定轨迹位置信号的时间导数。

B、群集运动学控制器的设计

群集运动学控制器的输入信号为受控无人船的位置信号x_i、y_i、ψ_i、从通讯网络中获取的其他无人船的位置信号x_j、y_j、ψ_j和领导者的位置信号η₀；其输出信号经过下列公式计算得出：

群集运动学控制器中的位置势能函数如下：

角度势能函数如下：

总势能函数表示如下：

控制误差量如下：

由此求得：

式中，p_i＝(x_i，y_i)是第i艘无人船的位置信号，p_ij＝p_i-p_j是i、j两船之间的距离，j＝0代表领导者；θ为势能函数常数，影响势能函数上界；R_f、r_f分别是给定的无人船之间的群集运动控制距离上、下界；a_ij＝1代表第j艘无人船将信息传给第i艘无人船，其他情况下a_ij＝0；K_p为群集运动控制增益；为坐标变换矩阵的转置；K_1i为设定的控制器增益；Δ_1i为饱和常数；κ_i为设计参数。

C、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领导者运动学控制器和群集运动学控制器的输出信号i∈0、1、2...n；其输出信号经下式计算得出：

式中，k_i1、k_i2、ρ_i1、ρ_i2、γ_i分别为非线性微分跟踪器的设计参数。

D、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和无人船输出的状态信息η_i＝(x_i，y_i，ψ_i)；其输出信号由下式计算得出：

式中，为第i艘无人船位置和航向的观测值；为三维观测器增益矩阵；M_i＝diag{m_iu，m_iv，m_ir}为无人船的质量惯性矩阵。

E、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号包括领导者运动学控制器和群集运动学控制器的输出信号i∈0、1、2...n，非线性微分跟踪器的输出信号以及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_iv，τ_ir)由下式给出：

式中，为无人船的观测速度与控制器给出的参考速度之间的误差量；K_2i＝diag{K_2iu，K_2iv，K_2ir}为动力学控制增益；Δ_2i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，与现有多无人船群集运动控制器相比，本发明提出有领导者的多无人船群集运动控制器可以实现多无人船沿单条给定轨迹运动的行为，同时本发明提出的方法也能更好地排除干扰，稳定地跟踪轨迹。

第二，与现有的一些群集运动控制器相比，本发明提出的有领导者的多无人船群集运动控制器针对无人船运动模型设计，并考虑了无人船航向角的控制，具有更高的应用价值。

第三，与现有采用状态反馈的群集运动控制方法相比，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通过无人船的位置信息获取速度信息，可以在实际应用中节省成本，减小体积。

第四，本发明提出的有领导者的多无人船群集运动控制器利用双曲正切函数取消了控制器中对领导者的速度信息的要求，没有全局量的出现，从而可以使用分布式的连通结构进行控制。

附图说明

图1是有领导者的多无人船群集运动控制器结构示意图。

图2是七艘无人船群集运动控制通讯拓扑图。

图3是七艘无人船的群集运动轨迹。

图4是多无人船中领导者的跟踪误差曲线。

图5是七艘无人船群集运动中的纵向控制力曲线。

图6是七艘无人船群集运动中的横向控制力曲线。

图7是七艘无人船群集运动中的转向控制力曲线。

图8是一艘无人船的纵荡速度及其观测值曲线。

图9是一艘无人船的横漂速度及其观测值曲线。

图10是一艘无人船的艏摇角速度及其观测值曲线。

图11是一艘无人船的纵向扰动及其观测值曲线。

图12是一艘无人船的横向扰动及其观测值曲线。

图13是一艘无人船的旋转扰动及其观测值曲线。

图14是七艘无人船群集运动过程中的纵荡速度曲线。

图15是七艘无人船群集运动过程中的横漂速度曲线。

图16是七艘无人船群集运动过程中的航向角曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1所示，用一个具体的有领导者的七艘无人船群集运动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。无人船的运动学模型和动力学模型参数如下：

编队控制过程中七艘无人船的通讯拓扑如图2所示，领导者0号无人船获取并跟踪路径信息，并将自身位置信息发送给1、3、5号无人船；其余1-6号无人船按照图2所示通讯关系互相通讯，传递自身的位置信息。

本实例中所用的控制器满足式(3)-(12)所描述的控制器结构，具体的控制器参数如下：

R_f＝15，r_f＝1，θ＝45000，Δ_1i＝Δ₁＝0.5

Δ_2i＝1，κ_i＝diag(0.2，0.1，0.2)，K_p＝6

K_1i＝K₁＝diag(0.2，0.2，0.2)，K_2iu＝129，K_2iv＝169，K_2ir＝13.8

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：

仿真结果如图3-16所示。图3是七艘无人船的群集运动轨迹，图中的粗实线为给定的参数化路径，细虚线为无人船的实际运动轨迹，点划线代表无人船之间的通讯关系。从图中可以看出领导者无人船跟踪上了给定的参数化路径，最终多艘无人船保持一个相对稳定集中的队形前进并且航向一致。图4是领导者无人船对给定轨迹的跟踪误差，图中可以看出领导者快速稳定地跟踪上了轨迹。图5-7是七艘无人船的纵向、横向和艏摇编队控制力，从图中可以看出所有无人船的控制力均保持在一定范围之内。图8-10显示的是一艘无人船的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度以及观测器输出的速度观测值，其中虚线为实际值，实线为观测值。图中可以看出观测器观测的速度准确，误差很小。图11-13是一艘无人船的纵向、横向和旋转扰动及其观测值，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误差很小。图14-15分别是七艘无人船的纵荡速度和横漂速度。由图中可见所有船的速度均在一定范围之内，且经过一段时间之后所有船的速度逐渐达到一致，符合控制要求。图16是七艘无人船群集运动过程中的航向角，可见所有船的航向角在运动过程中快速达到一致，符合控制要求。

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)

1.一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构，其特征在于：包括领导者运动学控制器、群集运动学控制器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器；所述的领导者运动学控制器的两个输入端分别与无人船的输出端和通讯网络相连、输出端与非线性微分跟踪器相连；所述的群集运动学控制器的两个输入端分别与无人船的输出端和通讯网络相连、输出端连接到非线性微分跟踪器的输入端；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、另一个输入端与无人船的输出端相连，扩张状态观测器的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无人船的输入端连接。

2.一种有领导者的多无人船群集运动控制器结构的设计方法，所述的无人船运动学模型如下：

所述的无人船动力学模型如下：

其中，下角标i代表第i艘无人船；x_i、y_i、ψ_i∈R分别代表无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及航向；u_i、v_i、r_i∈R分别代表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分别是无人船在船体坐标系下的纵向、横向和艏摇惯性系数；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)∈R分别是无人船纵向、横向和艏摇的不确定性；t_iwu、t_iwv、t_iwr∈R分别代表外界对无人船的纵向、横向和艏摇方向扰动；τ_iu、τ_iv、τ_ir∈R分别是无人船的纵向、横向和艏摇控制力；

其特征在于：所述的设计方法，包括以下步骤：

A、领导者运动学控制器的设计

领导者运动学控制器是针对多无人船中的领导者设计，其输入信号包括受控无人船的位置信号η₀＝(x₀、y₀、ψ₀)以及从通讯网络中获取的给定轨迹信号η_r；领导者运动学控制器的输出信号表示如下：

式中：

K₁为设定的控制器增益；Δ₁为饱和常数；为坐标变换矩阵的转置；为给定轨迹位置信号的时间导数；

B、群集运动学控制器的设计

群集运动学控制器的输入信号为受控无人船的位置信号x_i、y_i、ψ_i、从通讯网络中获取的其他无人船的位置信号x_j、y_j、ψ_j和领导者的位置信号η₀；其输出信号经过下列公式计算得出：

群集运动学控制器中的位置势能函数如下：

角度势能函数如下：

总势能函数表示如下：

控制误差量如下：

由此求得：

式中，p_i＝(x_i，y_i)是第i艘无人船的位置信号，p_ij＝p_i-p_j是i、j两船之间的距离，j＝0代表领导者；θ为势能函数常数，影响势能函数上界；R_f、r_f分别是给定的无人船之间的群集运动控制距离上、下界；a_ij＝1代表第j艘无人船将信息传给第i艘无人船，其他情况下a_ij＝0；K_p为群集运动控制增益；为坐标变换矩阵的转置；K_1i为设定的控制器增益；Δ_1i为饱和常数；κ_i为设计参数；

C、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领导者运动学控制器和群集运动学控制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分别为非线性微分跟踪器的设计参数；

D、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和无人船输出的状态信息η_i＝(x_i，y_i，ψ_i)；其输出信号由下式计算得出：

式中，为第i艘无人船位置和航向的观测值；为三维观测器增益矩阵；M_i＝diag{m_iu，m_iv，m_ir}为无人船的质量惯性矩阵；

E、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号包括领导者运动学控制器和群集运动学控制器的输出信号非线性微分跟踪器的输出信号以及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_iv，τ_ir)由下式给出：

式中，为无人船的观测速度与控制器给出的参考速度之间的误差量；K_2i＝diag{K_2iu，K_2iv，K_2ir}为动力学控制增益；Δ_2i为饱和常数。