CN112327835A - 一种无人艇滑模编队控制系统及其方法 - Google Patents

一种无人艇滑模编队控制系统及其方法 Download PDF

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CN112327835A CN202011145745.9A CN202011145745A CN112327835A CN 112327835 A CN112327835 A CN 112327835A CN 202011145745 A CN202011145745 A CN 202011145745A CN 112327835 A CN112327835 A CN 112327835A
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王曰英
董佳煜
杜鑫
吴乃龙
付俊
汪小帆
周卫祥
魏岩
严怀成
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Abstract

本发明公开一种无人艇滑模编队控制系统及其方法，该系统主要包括岸基定位主机，无线通信模块，无人艇滑模控制系统，岸基定位主机通过设置虚拟领航者建立笛卡尔坐标系规划无人艇编队中各个无人艇的航行轨迹，通过无线通信模块传输轨迹到船端；单无人艇通过内部的滑模速度控制器稳定横向和纵向速度误差最终实现跟踪期望轨迹的作用，同时将输出控制信号给运动模块转化控制量为油门和舵角，完成对无人艇航行的控制；单无人艇反馈自身位置到岸基定位主机，主机实现实时监控修正航迹的功能。本发明可以提高无人艇编队的鲁棒性，同时通过多艇协作高效的完成任务，同时提高了无人艇编队的稳定性和可靠性，便于硬件和软件上的实现。

Description

一种无人艇滑模编队控制系统及其方法
技术领域
本发明属于无人艇技术领域，具体涉及一种无人艇编队航行的控制方法。该方法可以高效的提高无人艇编队的鲁棒性，同时通过多艇协作高效的完成任务。
背景技术
无人艇是一种无需人员驾驶和操作，可以自主或者半自主航行和作业的艇，主要用于执行危险以及不适合有人船只执行的任务。现如今已经广泛地应用于军事和民用领域；在军事领域，无人艇通过搭载高精度的装备和军用火炮能够实现无人侦察和船只护航的任务；在民用领域主要用于海图探测，水样收集，应急救援等。
相比于单个无人艇单独执行任务无人编队群具有以下优点。第一，可以通过多个低成本的无人艇协作的方式来降低任务完成的成本；第二，在海上无人艇面临着各种强干扰，多艇协作的模式增加了完成任务时的风险抵抗能力；第三，多艇协作的工作模式可以提高任务完成的精度和速度；
在海洋中执行任务的无人艇编队，由于受到风浪等外部环境的干扰，会产生横荡，纵荡和艏摇。上述干扰的纯在对于无人艇高性能航行有很大的负面影响。外界的干扰不仅会降低无人艇上搭载的设备的工作效率同时还会对于无人艇的航迹产生影响，使之不能高精度的跟踪期望轨迹。因此为保证无人艇的高性能航行，需要控制器对航行状态做出高精度的控制。
由于上述方案信号的处理单元设置在岸端，岸上控制站接受无人艇编队反馈信号，进过比较后将处理后的信号发送至无人艇，当无人艇编队航行海况复杂，无人艇编队在接受到的控制信号时当前船体的姿态已经发生变化，因此，现有的无人艇集群控制方案存在着控制时延的技术问题。同时，对于单一领航者的无人艇编队，当领航者发生故障时会导致无人艇编队系统瘫痪，因此，现有的无人艇编队控制方案存在着应对无人艇编队鲁棒性不足的问题。
发明内容
本发明针对目前无人艇编队控制中的时延问题和鲁棒性问题，旨在提供一种无人艇滑模编队控制系统。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
一种无人艇滑模编队控制系统，包括岸基定位主机，无线通信模块，无人艇滑模控制系统；所述无人艇滑模控制系统包括主控制器，协控制器、滑模速度控制器，环境感知模块，运动模块；所述主控制器通过所述无线通信模块接收来自所述岸基定位主机的位置姿态信息，以及通过协控制器采集并处理环境感知模块采集的环境信息，并通过所述滑模速度控制器的内部算法控制运动模块，来控制无人艇自主运动；所述岸基定位主机作为上位机用于处理无人艇上所搭载的环境感知模块采集的数据，得到无人艇编队中各个无人艇的航行信息，并通过给出虚拟领航者来规划无人艇编队的航行轨迹，最后通过所述无线通信模块将规划的航迹传输给各个无人艇端。
进一步地，所述无线通信模块负责将编队中的各个无人艇上环境感知模块采集的数据上传至所述的岸基定位主机，同时又将无人艇位置姿态信息传输给无人艇的底层硬件。
进一步地，所述协控制器用于采集所述环境感知模块的信息并作出相应的处理，最后发送给所述滑模速度控制器。
进一步地，所述环境感知模块通过搭载各种传感器来监测外部环境信息，所述传感器包括ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机，多普勒海流传感器或风速传感器。
进一步地，所述运动模块接受来自所述滑模速度控制器输出的控制信号，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角。
进一步地，所述滑模速度控制器包括：滑模横向速度控制器和滑模纵向速度控制器，
对于滑模纵向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-GDA0002837403970000021
S1表示滑模面；uE表示纵向速度误差；
滑模纵向速度控制器
Figure RE-GDA0002837403970000022
F表示纵向滑模速度控制器
其中
Figure RE-GDA0002837403970000023
mnn表示无人艇数学动力学模型中质量矩阵中第n 行第n列的数值大小；
Figure RE-GDA0002837403970000024
表示对于质量矩阵中数值的估计值而非真实值；
Figure RE-GDA0002837403970000025
对于滑模横向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-GDA0002837403970000031
vE表示横向速度差，
滑模横向速度控制律
Figure RE-GDA0002837403970000032
其中
b＝m22ur-m11u，
Figure RE-GDA0002837403970000033
Figure RE-GDA0002837403970000034
其中H为h的不确定范围，该范围取决于无人艇船体参数的不确定性，β的范围依赖于b的平均几何数；
UUV在船体坐标系中的数学模型：
Figure RE-GDA0002837403970000035
其中，
Figure RE-GDA0002837403970000036
表示UUV在地面坐标系下的位置和姿态向量；
Figure RE-GDA0002837403970000037
表示UUV在船体坐标系下的速度向量；M为惯性矩阵包括附加质量；J(η)为转换矩阵；C(v)为向心力和科氏力矩阵；包括附加质量所产生的向心力和科氏力；D(v)为动力阻力和升力力矩；g(η)恢复力和力矩向量；
Figure RE-GDA0002837403970000038
表示作用在UUV船体坐标系下的控制输入量。船体坐标系下，欠驱动UUV 动力学模型具有如下特性：
M＝MT＞0,
Figure RE-GDA0002837403970000039
D(v)＞0。
本发明还提出通过以上无人艇滑模编队控制系统实现的无人艇滑模编队控制方法，包括以下步骤：
1.在编队生成阶段，对于多无人艇和多个目标之间相互作用和匹配的问题，使用虚拟领航者为无人艇编队提供路径规划，构建无人艇编队轨迹规划子系统：
1.1所述岸基定位主机接受无人艇编队反馈的各个无人艇位置姿态信息了解当前无人艇编队所处的位置；
1.2所述岸基定位主机通过任务需求，选取当前无人艇编队中的一艘无人艇作为虚拟领航者为坐标原点建立笛卡尔坐标系；
1.3计算当前无人艇编队中各个无人艇与坐标原点的位置关系，结合当前的任务需求给对编队中各个无人艇进行路径规划；
2.无人艇编队接收所述岸基定位主机的控制信号，同时采用所述滑模速度控制器对无人艇的航行做出控制，构建单个无人艇运动控制子系统：
2.1根据所述岸基定位主机给出的规划路径，给出目标运动路径以及方向角度；
2.2建立无人艇与目标点在运动过程中每一时刻的位置姿态关系，计算无人艇与目标之间的偏差信号；
2.3用所述滑模速度控制器控制当前无人艇的速度，以单无人艇自身为坐标原点，船头朝向为纵轴，垂直于船头方向为横轴建立笛卡尔坐标系，将无人艇速度分解为横向速度和纵向速度，无人艇通过横向滑模速度调节器调节无人艇的横向航行状态，使用无人艇消除横向误差到达跟随期望轨迹的效果，无人艇通过纵向滑模速度调节器调节无人艇的纵向航行状态，使用无人艇消除纵向误差到达跟随期望轨迹的效果；
2.4滑模速度控制器根据无人艇运动学模型，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角；
3.无人艇编队通过所述无线通信模块反馈无人艇的航行位置姿态信息，进行编队跟踪，构建多无人艇反馈控制子系统：
3.1所述岸基定位主机初始化目标以及确认当前无人艇编队中无人艇的位置信息；
3.2利用各个无人艇通过所述无线通信模块反馈的航行位置信息，计算各个无人艇之间的相对位置关系和相对角度关系，计算出无人艇编队运动误差方程划定数据异常范围，并实时呈现在所述岸基定位主机上；
3.3无人艇编队不断向岸基定位主机反馈当前的航行位置姿态信息，所述岸基定位主机通过数据异常范围进行数据划分，如果数据在正常范围内，则无人艇继续按照当前航迹进行航行，若数据出现异常，所述岸基定位主机从新规划当前无人艇编队的路径；
3.4无人艇编队在运动过程中所述岸基定位主机不断判断编队是否满足队形要求，若不满足编队需求，无人艇编队按照新的规划路径要求做出对应的调整，若满足要求，则继续按照期望轨迹运动。
与现有技术相比，本发明取得的积极有益效果为：
1)该基于无人艇编队协同的控制系统设计合理，系统层析分明，便于软件与硬件两个层次的实现；
2)在编队生成阶段利用给定虚拟领航者的方法，消去了实际的无人艇领航者，减少了因领航者出现故障而导致的编队瘫痪的情况。通过将虚拟领航者与无人艇成员结合的方法提高了队形变换的效率；
3)滑模速度控制器通过将速度分解为横向速度和纵向速度降低了计算的复杂性，提升了对于无人艇航行速度的调节精度，从而使无人艇能够高效快速跟踪期望轨迹；
4)岸基定位主机利用无人艇反馈信号实时监控无人艇编队当前航行状态，对出现异常数据的无人艇实时做出调整，进而使无人艇编队有更好的可靠性和稳定性。
附图说明
图1无人艇滑模编队控制系统总体框架图
图2无人艇运动控制系统框架示意图
图3无人艇滑模编队控制系统流程图
图4无人艇滑模控制子系统功能流程图
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图1所示，本发明的一种无人艇滑模编队控制系统，包括岸基定位主机1，无线通信模块2，无人艇滑模控制系统；无人艇滑模控制系统包括主控制器3，协控制器4、滑模速度控制器5，环境感知模块7，运动模块6；主控制器3通过无线通信模块2接收来自岸基定位主机1的位置姿态信息，以及通过协控制器4采集并处理环境感知模块7采集的环境信息，并通过滑模速度控制器5的内部算法控制运动模块6，来控制无人艇自主运动；岸基定位主机1作为上位机用于处理无人艇上所搭载的环境感知模块7采集的数据，得到无人艇编队中各个无人艇的航行信息，并通过给出虚拟领航者来规划无人艇编队的航行轨迹，最后通过无线通信模块2将规划的航迹传输给各个无人艇端。
其中，无线通信模块负责将编队中的各个无人艇上环境感知模块7采集的数据上传至岸基定位主机1，同时又将无人艇位置姿态信息传输给无人艇的底层硬件。
其中，协控制器4用于采集环境感知模块7的信息并作出相应的处理，最后发送给滑模速度控制器5。
其中，环境感知模块7通过搭载各种传感器来监测外部环境信息，传感器包括ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机，多普勒海流传感器或风速传感器。
其中，运动模块6接受来自滑模速度控制器5输出的控制信号，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角。
滑模速度控制器包括：滑模横向速度控制器和滑模纵向速度控制器，
对于滑模纵向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-GDA0002837403970000061
S1表示滑模面；uE表示纵向速度误差；
滑模纵向速度控制器
Figure RE-GDA0002837403970000062
F表示纵向滑模速度控制器
其中
Figure RE-GDA0002837403970000063
mnn表示无人艇数学动力学模型中质量矩阵中第n 行第n列的数值大小；
Figure RE-GDA0002837403970000064
表示对于质量矩阵中数值的估计值而非真实值；
Figure RE-GDA0002837403970000065
对于滑模横向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-GDA0002837403970000066
vE表示横向速度差，
滑模横向速度控制律
Figure RE-GDA0002837403970000067
其中
b＝m22ur-m11u，
Figure RE-GDA0002837403970000068
Figure RE-GDA0002837403970000069
其中H为h的不确定范围，该范围取决于无人艇船体参数的不确定性，β的范围依赖于b的平均几何数；
UUV在船体坐标系中的数学模型：
Figure RE-GDA0002837403970000071
其中，
Figure RE-GDA0002837403970000072
表示UUV在地面坐标系下的位置和姿态向量；
Figure RE-GDA0002837403970000073
表示UUV在船体坐标系下的速度向量；M为惯性矩阵包括附加质量；J(η)为转换矩阵；C(v)为向心力和科氏力矩阵；包括附加质量所产生的向心力和科氏力；D(v)为动力阻力和升力力矩；g(η)恢复力和力矩向量；
Figure RE-GDA0002837403970000074
表示作用在UUV船体坐标系下的控制输入量。船体坐标系下，欠驱动UUV 动力学模型具有如下特性：
M＝MT＞0,
Figure RE-GDA0002837403970000075
D(v)＞0。
图2、图3和图4所示，本发明的通过以上无人艇滑模编队控制系统实现的无人艇滑模编队控制方法，包括以下步骤：
1.在编队生成阶段，对于多无人艇和多个目标之间相互作用和匹配的问题，使用虚拟领航者为无人艇编队提供路径规划，构建无人艇编队轨迹规划子系统：
1.1岸基定位主机1接受无人艇编队反馈的各个无人艇位置姿态信息了解当前无人艇编队所处的位置；
1.2岸基定位主机1通过任务需求，选取当前无人艇编队中的一艘无人艇作为虚拟领航者为坐标原点建立笛卡尔坐标系；
1.3计算当前无人艇编队中各个无人艇与坐标原点的位置关系，结合当前的任务需求给对编队中各个无人艇进行路径规划；
2.无人艇编队接收岸基定位主机1的控制信号，同时采用滑模速度控制器5对无人艇的航行做出控制，构建单个无人艇运动控制子系统：
2.1根据岸基定位主机1给出的规划路径，给出目标运动路径以及方向角度；
2.2建立无人艇与目标点在运动过程中每一时刻的位置姿态关系，计算无人艇与目标之间的偏差信号；
2.3用滑模速度控制器控5制当前无人艇的速度，以单无人艇自身为坐标原点，船头朝向为纵轴，垂直于船头方向为横轴建立笛卡尔坐标系，将无人艇速度分解为横向速度和纵向速度，无人艇通过横向滑模速度调节器调节无人艇的横向航行状态，使用无人艇消除横向误差到达跟随期望轨迹的效果，无人艇通过纵向滑模速度调节器调节无人艇的纵向航行状态，使用无人艇消除纵向误差到达跟随期望轨迹的效果；
2.4滑模速度控制器根据无人艇运动学模型，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角；
3.无人艇编队通过所述无线通信模块反馈无人艇的航行位置姿态信息，进行编队跟踪，构建多无人艇反馈控制子系统：
3.1所述岸基定位主机初始化目标以及确认当前无人艇编队中无人艇的位置信息；
3.2利用各个无人艇通过所述无线通信模块反馈的航行位置信息，计算各个无人艇之间的相对位置关系和相对角度关系，计算出无人艇编队运动误差方程划定数据异常范围，并实时呈现在所述岸基定位主机上；
3.3无人艇编队不断向岸基定位主机反馈当前的航行位置姿态信息，所述岸基定位主机通过数据异常范围进行数据划分，如果数据在正常范围内，则无人艇继续按照当前航迹进行航行，若数据出现异常，所述岸基定位主机从新规划当前无人艇编队的路径；
3.4无人艇编队在运动过程中所述岸基定位主机不断判断编队是否满足队形要求，若不满足编队需求，无人艇编队按照新的规划路径要求做出对应的调整，若满足要求，则继续按照期望轨迹运动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，包括岸基定位主机，无线通信模块，无人艇滑模控制系统；
所述无人艇滑模控制系统包括主控制器，协控制器、滑模速度控制器，环境感知模块，运动模块；所述主控制器通过所述无线通信模块接收来自所述岸基定位主机的位置姿态信息，以及通过协控制器采集并处理环境感知模块采集的环境信息，并通过所述滑模速度控制器内部算法控制运动模块，来控制无人艇自主运动；
所述岸基定位主机作为上位机用于处理无人艇上所搭载的环境感知模块采集的数据，得到无人艇编队中各个无人艇的航行信息，并通过给出虚拟领航者来规划无人艇编队的航行轨迹，最后通过所述无线通信模块将规划的航迹传输给各个无人艇端。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，所述无线通信模块负责将编队中的各个无人艇上环境感知模块采集的数据上传至所述的岸基定位主机，同时又将无人艇位置姿态信息(位置姿态信息分为位置信息和姿态信息，位置信息是指船在坐标系上的坐标位置，姿态信息指船艏的朝向)传输给无人艇的底层硬件。
3.根据权利要求1所述的一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，所述协控制器用于采集所述环境感知模块的信息并作出相应的处理，最后发送给所述滑模速度控制器。
4.根据权利要求1所述的一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，所述环境感知模块通过搭载各种传感器来监测外部环境信息，所述传感器包括ka波段雷达，海事雷达，360度光学相机，多普勒海流传感器或风速传感器。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，所述运动模块接受来自所述滑模速度控制器输出的控制信号，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角。
6.根据权利要求5所述的一种无人艇滑模编队控制系统，其特征在于，
所述滑模速度控制器包括：滑模横向速度控制器和滑模纵向速度控制器，
对于滑模纵向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-FDA0002837403960000011
S1表示滑模面；uE表示纵向速度误差；
滑模纵向速度控制器
Figure RE-FDA0002837403960000021
F表示纵向滑模速度控制器
其中
Figure RE-FDA0002837403960000022
mnn表示无人艇数学动力学模型中质量矩阵中第n行第n列的数值大小；
Figure RE-FDA0002837403960000023
表示对于质量矩阵中数值的估计值而非真实值；
Figure RE-FDA0002837403960000024
对于滑模横向速度调节器：
定义滑模面
Figure RE-FDA0002837403960000025
vE表示横向速度差，
滑模横向速度控制律
Figure RE-FDA0002837403960000026
其中
b＝m22ur-m11u，
Figure RE-FDA0002837403960000027
Figure RE-FDA0002837403960000028
其中H为h的不确定范围，该范围取决于无人艇船体参数的不确定性，β的范围依赖于b的平均几何数；
UUV在船体坐标系中的数学模型：
Figure RE-FDA0002837403960000029
其中，
Figure RE-FDA00028374039600000210
表示UUV在地面坐标系下的位置和姿态向量；
Figure RE-FDA00028374039600000211
表示UUV在船体坐标系下的速度向量；M为惯性矩阵包括附加质量；J(η)为转换矩阵；C(v)为向心力和科氏力矩阵；包括附加质量所产生的向心力和科氏力；D(v)为动力阻力和升力力矩；g(η)恢复力和力矩向量；
Figure RE-FDA00028374039600000212
表示作用在UUV船体坐标系下的控制输入量。船体坐标系下，欠驱动UUV动力学模型具有如下特性：
M＝MT＞0,
Figure RE-FDA00028374039600000213
C(v)＝-C(v)T,D(v)＞0。
7.一种利用权利要求1或2或3或4所述无人艇滑模编队控制系统的无人艇滑模编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.在编队生成阶段，对于多无人艇和多个目标之间相互作用和匹配的问题，使用虚拟领航者为无人艇编队提供路径规划，构建无人艇编队轨迹规划子系统：
1.1所述岸基定位主机接受无人艇编队反馈的各个无人艇位置姿态信息了解当前无人艇编队所处的位置；
1.2所述岸基定位主机通过任务需求，选取当前无人艇编队中的一艘无人艇作为虚拟领航者为坐标原点建立笛卡尔坐标系；
1.3计算当前无人艇编队中各个无人艇与坐标原点的位置关系，结合当前的任务需求给对编队中各个无人艇进行路径规划；
2.无人艇编队接收所述岸基定位主机的控制信号，同时采用所述滑模速度控制器对无人艇的航行做出控制，构建单个无人艇运动控制子系统：
2.1根据所述岸基定位主机给出的规划路径，给出目标运动路径以及方向角度；
2.2建立无人艇与目标点在运动过程中每一时刻的位置姿态关系，计算无人艇与目标之间的偏差信号；
2.3用所述滑模速度控制器控制当前无人艇的速度，以单无人艇自身为坐标原点，船头朝向为纵轴，垂直于船头方向为横轴建立笛卡尔坐标系，将无人艇速度分解为横向速度和纵向速度，无人艇通过横向滑模速度调节器调节无人艇的横向航行状态，使用无人艇消除横向误差到达跟随期望轨迹的效果，无人艇通过纵向滑模速度调节器调节无人艇的纵向航行状态，使用无人艇消除纵向误差到达跟随期望轨迹的效果；
2.4滑模速度控制器根据无人艇运动学模型，将无人艇横向速度和纵向速度转化为无人艇输出的油门和舵角；
3.无人艇编队通过所述无线通信模块反馈无人艇的航行位置姿态信息，进行编队跟踪，构建多无人艇反馈控制子系统：
3.1所述岸基定位主机初始化目标以及确认当前无人艇编队中无人艇的位置信息；
3.2利用各个无人艇通过所述无线通信模块反馈的航行位置信息，计算各个无人艇之间的相对位置关系和相对角度关系，计算出无人艇编队运动误差方程划定数据异常范围，并实时呈现在所述岸基定位主机上；
3.3无人艇编队不断向岸基定位主机反馈当前的航行位置姿态信息，所述岸基定位主机通过数据异常范围进行数据划分，如果数据在正常范围内，则无人艇继续按照当前航迹进行航行，若数据出现异常，所述岸基定位主机从新规划当前无人艇编队的路径；
3.4无人艇编队在运动过程中所述岸基定位主机不断判断编队是否满足队形要求，若不满足编队需求，无人艇编队按照新的规划路径要求做出对应的调整，若满足要求，则继续按照期望轨迹运动。
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