一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法技术
An unmanned surface ship formation control method based on leader follower structure
The invention discloses an unmanned surface vessel formation control method based on the leader follower structure, the method for multiple full driven USV system, put forward leader follower formation control method to solve any followers and leaders to prevent the collision and maintaining the connection based on the problems, the method comprises the following steps: the dynamic model of unmanned surface vessel; design position output follower tracking error constraint; design of tracking error transfer function; application of dynamic surface control technology to design the virtual controller design; disturbance observer compensation wave flow disturbances; and structural design of tracking controller for formation. The invention provides a formation control method ensures that any follower and leader always maintain a safe distance and in the leader's communication range; the dynamic surface control technology, to avoid the use of the leader's acceleration, improve the practicability of design scheme.
【技术实现步骤摘要】
一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法
本专利技术涉及无人水面艇的编队控制领域，具体涉及一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法。
技术介绍
无人水面艇是一种具有在实际海洋环境下自主航行的能力，并能够自主完成环境感知、目标探测等任务的水面航行器。无人水面艇具有广阔的应用前景，可用于海洋资源的研究、勘探、开采与运输，恶劣海况(如海上大风、巨浪、热带风暴等)的探测与预警，海洋地质环境的勘探与监控，海洋水文的观测，以及海洋气象研究等领域。就目前的无人水面艇技术水平而言，单个无人水面艇在信息的获取、处理及控制能力等方面是有限的。面对复杂的工作任务以及多变的海洋工作环境，单个无人水面艇的执行能力可能显得不足。利用多个无人水面艇组成的群体系统，将复杂的工作任务进行分解成各个简单的子任务，多个无人水面艇并行地执行各自的子任务，并通过各个无人水面艇的相互通信、协调、协作来提高整个工作的效率，可完成单个无人水面艇无法或难以完成的工作。受到自然界生物群体队形的启发，无人艇编队控制是一个典型的协调运动控制问题。多个无人水面艇编队控制指通过设计合适的控制策略，使得多个无人水面艇...
【技术保护点】
一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤(1)、建立多个无人水面艇的动态模型；步骤(2)、依据领导者‑跟随者的编队控制方式，根据领导者与跟随者的安全距离和通讯连接范围设计跟随者的位置来输出跟踪误差约束条件；步骤(3)、设计跟踪误差转换函数，将跟踪误差不等式约束转换成等式约束；步骤(4)、应用动态面控制技术设计虚拟控制器：结合动态面控制技术与逐步后推控制器设计技术避免虚拟控制器的求导，从而避免控制器的输入包含不可测的加速度信息；步骤(5)、设计扰动观测器补偿外界未知干扰：应用扰动观测器的方法，设计扰动观测器对外界未知干扰进行估计，并...
【技术特征摘要】
1.一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤(1)、建立多个无人水面艇的动态模型；步骤(2)、依据领导者-跟随者的编队控制方式，根据领导者与跟随者的安全距离和通讯连接范围设计跟随者的位置来输出跟踪误差约束条件；步骤(3)、设计跟踪误差转换函数，将跟踪误差不等式约束转换成等式约束；步骤(4)、应用动态面控制技术设计虚拟控制器：结合动态面控制技术与逐步后推控制器设计技术避免虚拟控制器的求导，从而避免控制器的输入包含不可测的加速度信息；步骤(5)、设计扰动观测器补偿外界未知干扰：应用扰动观测器的方法，设计扰动观测器对外界未知干扰进行估计，并设计相应的前馈扰动补偿控制器；步骤(6)、应用李雅普诺夫稳定性理论设计编队跟踪控制器：设计编队跟踪控制器，应用李雅普诺夫稳定性理论严格证明闭环系统的稳定性，并确保编队控制中任一跟随者与其领导者始终保持一定的安全距离并处于其领导者的通讯连接范围内。2.根据权利要求1所述的一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于，步骤(1)中，所述多个无人水面艇的动态模型为：其中，ui表示第i个无人水面艇的纵向速度，vi表示第i个无人水面艇的横荡速度，ri表示第i个无人水面艇的转向角速度，ψi(t)为第i个无人水面艇的航向角，i＝1、2、3……N，表示ψi(t)的导数，表示第i个无人水面艇在X轴方向的速度，表示第i个无人水面艇在Y轴方向的速度，Mi表示无人水面艇的质量矩阵，表示第i个无人水面艇在u，v，r方向上的加速度构成的向量，C(vi)表示科氏力矩阵，vi＝[ui,vi,ri]T，D(vi)表示阻尼矩阵，τi＝[τui,τvi,τri]T，τui表示第i个无人水面艇纵向的推力，τvi表示第i个无人水面艇横荡方向的推力，τri表示第i个无人水面艇转向的力矩，τwi＝[τwui,τwvi,τwri]T，τwui表示第i个无人水面艇在纵向方向受到的外部时变扰动，τwvi表示第i个无人水面艇在横荡方向受到的外部时变扰动，τwri表示第i个无人水面艇在转向角方向受到的外部时变扰动。3.根据权利要求1所述的一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程为：将多个无人水面艇依次编号为：1、2、3……N，任一无人水面艇i作为跟随者与它的领导者无人水面艇i-1的可视距离为夹角为在整个运动控制过程中满足如下约束条件：di,col<di(t)<di,con，以使领导者与跟随者保持安全距离同时又在通讯连接范围内，其中i＝1、2、3……N，当i＝0时，表示给定的第一艘无人水面艇的参考轨迹，(xi(t)，yi(t))为第i个无人水面艇的位置，(xi-1(t)，yi-1(t))为第i-1个无人水面艇的位置，di,col>0为无人水面艇之间防止碰撞的最小安全距离，di,con为无人水面艇之间保持通讯连接的最大允许距离，且di,con>di,col>0，引入任一无人水面艇i与其领导者无人水面艇i-1之间的期望距离di,des，并定义任一无人水面艇i与它的领导者无人水面艇i-1的的跟踪误差edi(t)＝di(t)-di,des、角度误差eψi(t)＝ψi-1(t)-ψi(t)，其中di,con>di,des>di,col>0，ψi-1(t)为第i-1个无人水面艇的航向角，ψi(t)为第i个无人水面艇的航向角，将跟随者与其领导者之间的距离约束转换为跟踪误差约束：di,col-di,des<edi(t)<di,con-di,des。4.根据权利要求3所述的一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于：步骤(2)中，所述跟踪误差约束条件设计如下：其中，edi(t)表示任一无人水面艇i与它的领导者无人水面艇i-1的跟踪误差，eψi(t)表示任一无人水面艇i与它的领导者无人水面艇i-1的角度误差，edi(t)表示edi(t)的下界性能函数，表示edi(t)的上界性能函数，eψi(t)表示eψi(t)的下界性能函数，表示eψi(t)的上界性能函数，di,des表示任一无人水面艇i与其领导者无人水面艇i-1之间的期望距离，di,col表示无人水面艇之间防止碰撞的最小安全距离，edi,∞表示性能函数edi(t)的稳态值，κdi表示性能函数edi(t)的收敛速度，di,con表示无人水面艇之间保持通讯连接的最大允许距离，表示性能函数的稳态值，eψi,0表示性能函数eψi(t)的初始值，eψi,∞表示性能函数eψi(t)的稳定值，κψi表示性能函数eψi(t)的收敛速度。5.根据权利要求1所述的一种基于领导跟随结构的无人水面艇编队控制方法，其特征在于，步骤(3)中设计的误差跟踪转换函数为：
【专利技术属性】
技术研发人员：戴诗陆，何树德，方冲，李烈军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44
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