CN110362095A - 一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船。本发明通过将人工势能函数引入到分布式路径操纵控制器设计中，设计了具有避碰、避障以及连通性保持的分布式协同路径操纵控制器，从而更好地适应在实际中复杂多变的海洋情形。本发明仅基于位置和偏航角信息，能够实现对欠驱动无人船模型不确定性以及复杂海况带来的未知扰动的统一估计。同时，有限时间收敛的特性可以使协同控制器获得更好的观测效果及抗干扰能力，扩展了现有分布式协同路径操纵控制器的应用范围。

Description

一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，特别是一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法。

背景技术

海洋占地球表面积的71％，因其蕴含极其丰富的能源以及具有重要的战略意义，成为各大国之间博弈的焦点，各国都致力于海洋装备的研究。其中无人船在部队两栖登陆作战、海陆空协同、海事巡航监管、海洋数据测量等军事和民用领域有着广泛的应用并取得巨大的成功，成为了一个重要的研究方向。单个无人船作业能力有局限性，因此可以考虑智能无人船编队协同作业，从而提高工作能力与工作效率。特别是随着通信技术，人工智能技术和智能控制技术的蓬勃发展，多个无人船的编队控制已经成为了一个热门的研究领域，其中协同路径操纵作为一种有效的编队控制方法引起了广泛的关注。

在协同路径操纵中，需要多个无人船沿预定义的参数化路径移动，同时保持期望的几何队形。目前，有很多控制技术用于无人船编队的协同路径操纵。但是，现有技术仍然存在以下问题：

第一，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，大多没有考虑避碰和连通性保持问题。而从实际角度来看，海洋中存在许多障碍，其环境复杂多变，所以要求每艘船必须做出反应，从而防止与其它船或者障碍物发生碰撞。此外，无人船的通信范围可能受到通信设备的限制，当船不在有效通信范围内时，会导致多无人船无法完成既定的协同路径操纵任务。

第二，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，大多没有考虑再有限的时间内形成预期的效果。有限时间控制可以使系统能够获得更快的收敛速度，更好的鲁棒性及抗干扰能力。因此，有限时间收敛的无人船编队协同路径操纵控制可以使无人船编队更好地适应复杂的海上状况。

第三，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，需要为每艘无人船预先指定一条参数化路径，这会导致网络带宽需求增大以及路径规划成本提高。尽管少量研究提出的分布式路径操纵方法，但其仅仅适用于全驱动无人船，无法应用于欠驱动无人船。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要设计一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，不仅能够实现有限时间收敛欠驱动无人船分布式路径操纵控制，还能避免碰撞和保持连通性，实现无人船编队在复杂海况的协同控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船，所述有限时间扩张状态观测器的输入端分别与欠驱动无人船、抗干扰动力学控制模块的输出端相连，所述有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端与欠驱动无人船的输出端相连，所述非线性跟踪微分器的输入端与有限时间分布式路径操纵制导模块的输出端相连，所述抗干扰动力学控制模块的输入端分别与非线性跟踪微分器和有限时间扩张状态观测器的输出端相连；所述的有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端还与通讯网络连接；

所述设计方法，包括以下步骤：

A、建立欠驱动无人船模型

所述的欠驱动无人船模型用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的欠驱动无人船；

是位置-偏航角向量，其中x_i和y_i分别是地球坐标系中的x轴坐标和y轴坐标；ψ_i表示偏航角；

表示在船体坐标系中表示速度的向量；其中u_i表示前向速度，v_i表示侧向速度，r_i表示艏摇角速度；

表示包括Coriolis力、向心力和流体阻尼效应的非线性向量；

其中m_i表示欠驱动无人船的质量，I_iz是关于z轴的惯性矩，分别表示在前向、侧向和艏摇方向的流体力学导数；

τ_iu和τ_ir分别是欠驱动无人船前向和艏摇方向的控制输入；

τ_iwu(t)、τ_iwv(t)、τ_iwr(t)分别表示在前向、侧向和艏摇方向的时变环境扰动；

是由给出的旋转矩阵，其中：

B、有限时间扩张状态观测器的设计

有限时间扩张状态观测器的输入信号为欠驱动无人船在地球坐标系下的位置信号与欠驱动无人船的控制输入信号τ_iu和τ_ir，输出信号包括观测到的欠驱动无人船的速度信号和观测到的扰动信号所设计的扰动观测器表示为：

式中，其中是位置x方向的观测值，是位置y方向的观测值，是航向角ψ的观测值；

其中是纵向速度u_i的观测值，是横向速度v_i的观测值，是艏摇角速度r_i的观测值；

其中是u方向不确定性的观测值，是v方向不确定性的观测值，是r方向不确定性的观测值；τ_i是欠驱动无人船的控制输入；是恒定增益；是设计参数。

C、有限时间分布式路径操纵制导模块的设计

有限时间分布式路径操纵制导模块的输入信号是欠驱动无人船在地球坐标系下的参考位置p_kr和欠驱动无人船在地球坐标系下的实时位置p_i，输出信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，所设计的有限时间分布式路径操纵制导模块表示为：

式中，均是正增益矩阵：

均是正常数；

均是设计参数；

定义人工势能函数

其中，是第k个虚拟领导者与其他虚拟领导者的协调误差，当a_k0＝1时，表示第k个虚拟领导者访问超级领导者的路径信息；

D、非线性跟踪微分器的设计

非线性跟踪微分器的输入信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，其输出控制信号经如下公式计算得出：

其中，和分别是α_i和估计值；λ_i1＞0,λ_i2＞0,λ_i3＞2，均为设计参数。

E、抗干扰动力学控制模块的设计

抗干扰动力学控制模块的输入信号分别是欠驱动无人船制导信号和速度信号u、v、r以及观测到的扰动信号输出信号是欠驱动无人船的控制输入信号τ_i，由下式表示：

其中，均是动力学控制增益矩阵，是设计参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明通过将人工势能函数引入到分布式路径操纵控制器设计中，设计了具有避碰、避障以及连通性保持的分布式协同路径操纵控制器，从而更好地适应在实际中复杂多变的海洋情形。

第二，本发明仅基于位置和偏航角信息，设计了有限时间收敛的扩张状态观测器，采用所提观测器，能够实现对欠驱动无人船模型不确定性以及复杂海况带来的未知扰动的统一估计。同时，有限时间收敛的特性可以使协同控制器获得更好的观测效果及抗干扰能力。

第三，本发明所提分布式路径操纵的方法，通过辅助变量设计技术，设计了适用于欠驱动的无人船的分布式路径操纵方法。本发明可用于欠驱动无人船的分布式路径操纵，扩展了现有分布式协同路径操纵控制器的应用范围。

附图说明

本发明共有附图9张，其中：

图1是欠驱动无人船网络系统示意图。

图2是所提分布式路径操纵控制器控制效果图。

图3是分布式路径操纵纵向跟踪误差图。

图4是分布式路径操纵横向跟踪误差图。

图5是避碰和连通保持效果图。

图6是五艘欠驱动无人船u方向控制输入曲线图。

图7是五艘欠驱动无人船r方向控制输入曲线图。

图8是有限时间扩张状态观测器u方向扰动估计效果图。

图9是有限时间扩张状态观测器r方向扰动估计效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。本发明设计的有限时间收敛欠驱动无人船网络系统设计如图1所示。下面以一个五艘无人船和两个虚拟领导者和一个超级领导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，无人船编队中包含五个无人船节点(编号1-5)，两个虚拟领导者节点(编号6-7)和一个超级虚拟领导者节点(编号0)，其中，无人船和虚拟领导者之间的沟通联系是无向的，编号6的虚拟领导者可以访问超级领导者的信息。本实例的控制目标是无人船编队的协同操纵控制器在满足式(3)-(6)的情况下实现有限时间收敛欠驱动无人船编队分布式路径操纵控制，还能实现避碰和保持连通性，实现无人船编队的协同控制。

仿真结果如图2-9所示。图2显示了五艘欠驱动的无人船能够使用所提出的基于观察者的有限时间控制器跟随由两个虚拟领导者跨越的凸包。在分布式路径操纵过程中，避免了三个静态障碍物。此外，还实现了无人船之间的避碰和连接保持。图3和图4分别描绘了五艘欠驱动无人船分布式路径操纵纵向跟踪误差和横向跟踪误差。在270s到610s和1020s到1200s之间，无人船之间的避碰和连接性保持具有比分布式路径操纵任务更高的优先级，从而导致明显的纵向跟踪误差。图5给出了相邻无人船之间的距离。可以观察到，当相邻无人船之间的距离小于避碰检测范围或者大于连通性保持检测范围时，分别激活避碰和连通性保持机制。图6和图7显示了五艘欠驱动无人船在u方向和r方向控制输入。有限时间扩张状态观测器u方向扰动估计如图8所示，图9显示了有限时间扩张状态观测器r方向扰动估计。可以看出限时间扩张状态观测器对u方向和r方向的扰动进行了准确的估计。

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)

1.一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，其特征在于：所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船，所述有限时间扩张状态观测器的输入端分别与欠驱动无人船、抗干扰动力学控制模块的输出端相连，所述有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端与欠驱动无人船的输出端相连，所述非线性跟踪微分器的输入端与有限时间分布式路径操纵制导模块的输出端相连，所述抗干扰动力学控制模块的输入端分别与非线性跟踪微分器和有限时间扩张状态观测器的输出端相连；所述的有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端还与通讯网络连接；

所述设计方法，包括以下步骤：

A、建立欠驱动无人船模型

所述的欠驱动无人船模型用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的欠驱动无人船；

是位置-偏航角向量，其中x_i和y_i分别是地球坐标系中的x轴坐标和y轴坐标；ψ_i表示偏航角；

表示在船体坐标系中表示速度的向量；其中u_i表示前向速度，v_i表示侧向速度，r_i表示艏摇角速度；

表示包括Coriolis力、向心力和流体阻尼效应的非线性向量；

其中m_i表示欠驱动无人船的质量，I_iz是关于z轴的惯性矩，分别表示在前向、侧向和艏摇方向的流体力学导数；

τ_iu和τ_ir分别是欠驱动无人船前向和艏摇方向的控制输入；

τ_iwu(t)、τ_iwv(t)、τ_iwr(t)分别表示在前向、侧向和艏摇方向的时变环境扰动；

是由给出的旋转矩阵，其中：

B、有限时间扩张状态观测器的设计

有限时间扩张状态观测器的输入信号为欠驱动无人船在地球坐标系下的位置信号与欠驱动无人船的控制输入信号τ_iu和τ_ir，输出信号包括观测到的欠驱动无人船的速度信号和观测到的扰动信号所设计的扰动观测器表示为：

式中，其中是位置x方向的观测值，是位置y方向的观测值，是航向角ψ的观测值；

其中是纵向速度u_i的观测值，是横向速度v_i的观测值，是艏摇角速度r_i的观测值；

其中是u方向不确定性的观测值，是v方向不确定性的观测值，是r方向不确定性的观测值；τ_i是欠驱动无人船的控制输入；是恒定增益；是设计参数；

C、有限时间分布式路径操纵制导模块的设计

有限时间分布式路径操纵制导模块的输入信号是欠驱动无人船在地球坐标系下的参考位置p_kr和欠驱动无人船在地球坐标系下的实时位置p_i，输出信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，所设计的有限时间分布式路径操纵制导模块表示为：

式中，均是正增益矩阵：

均是正常数；

均是设计参数；

定义人工势能函数

其中，是第k个虚拟领导者与其他虚拟领导者的协调误差，当a_k0＝1时，表示第k个虚拟领导者访问超级领导者的路径信息；

D、非线性跟踪微分器的设计

非线性跟踪微分器的输入信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，其输出控制信号经如下公式计算得出：

其中，和分别是α_i和估计值；λ_i1＞0,λ_i2＞0,λ_i3＞2，均为设计参数；

E、抗干扰动力学控制模块的设计

抗干扰动力学控制模块的输入信号分别是欠驱动无人船制导信号和速度信号u、v、r以及观测到的扰动信号输出信号是欠驱动无人船的控制输入信号τ_i，由下式表示：

其中，均是动力学控制增益矩阵，是设计参数。