多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接。本发明专利技术采用分布式控制结构，编队中仅有部分无人船能够直接获取领航者的信息，其它无人船只能获取邻近的无人船信息。与集中式控制结构相比，分布式控制结构能够更加高效地利用无人船编队内部有限的资源，具有容错性好、数据传输量小、节约通信带宽，方便扩展等优点，使得该协同操纵控制器更有利于实际应用。本发明专利技术不仅可以实现无人船协同跟踪控制，而且可以分别控制无人船编队满足指定的性能，实现了无人船协同操纵控制。

Unmanned Vessel Cooperative Maneuvering Controller with Multi-parameter Path Guidance and Its Design Method

The invention discloses a multi-parametric path-guided cooperative control controller for unmanned ship and its design method. The controller comprises a communication network, a plurality of unmanned ship controller units and a plurality of pilot controller units, and the plurality of unmanned ship controller units and a plurality of pilot controller units are respectively connected with the communication network. The invention adopts a distributed control structure, in which only part of unmanned vessels in formation can directly obtain the information of pilots, while other unmanned vessels can only obtain the information of adjacent unmanned vessels. Compared with the centralized control structure, the distributed control structure can make more efficient use of the limited resources within the unmanned fleet. It has the advantages of good fault tolerance, small data transmission, saving communication bandwidth and easy expansion, which makes the cooperative control controller more conducive to practical application. The invention can not only realize the cooperative tracking control of unmanned ship, but also control the formation of unmanned ship to meet the specified performance separately, and realize the cooperative control of unmanned ship.

【技术实现步骤摘要】
多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器及其设计方法
本专利技术涉及无人船控制领域，特别是一种多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器设计方法。
技术介绍
二十一世纪是海洋的世纪，大国间围绕着海洋领土、海洋资源以及海洋经济等问题展开激烈的博弈，为了抢占海洋开发制高点，许多国家加大了在海洋装备研制方面的投入。在众多海洋装备中，智能无人船因其活动范围广、造价低廉、可回收等优点越来越受到重视。但是单个无人船能力有限，因此在一些具体任务中，可以考虑智能无人船编队协同作业，以提高工作能力与工作效率。目前，针对多无人船协同控制问题，已有许多可行的解决方法。中国专利CN107037816A公开了一种多无人船编队系统的控制方法，分别设计了无人船舰载系统与岸基监控系统。该方法以岸基上位机作为主控节点，采用轮询控制方式对多无人船进行控制，实现编队的协同跟踪控制，对目标水域进行无死角的拉网式搜索。与传统单船作业相比，该方法可以提高作业效率与作业精度。中国专利CN108153311A公开了一种面向无人船编队的智能控制系统及控制方法，它由岸基监控系统、跟随艇和领航艇构成。无人船编队中，一艘艇作为领航艇，按预先设定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器，其特征在于：包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；...

【技术特征摘要】
1.多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器，其特征在于：包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端与无人船的输入端相连；所述的跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器共同组成协同操纵制导模块；所述的领航者控制器单元包括领航者参数协同误差生成器、协同操纵信息生成器、比例放大器、参考速度生成器、领航者、比较器A、比较器B、积分器A和积分器B；领航者参数协同误差生成器的输入端分别与领航者的输出端和通讯网络相连；协同操纵信息生成器的输入端分别与领航者参数协同误差生成器的输出端、领航者的输出端和通讯网络相连；比较器A的输入端分别与协同操纵信息生成器的输出端以及积分器A的输出端相连；比例放大器的输入端与比较器A的输出端相连；积分器A的输入端与比例放大器的输出端相连；比较器B的输入端分别与积分器A的输出端以及参考速度生成器的输出端相连；积分器B的输入端与比较器B的输出端相连；领航者的输入端与积分器B的输出端相连；所述的领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成领航者协同信息处理模块；所述的比较器A、比例放大器和积分器A组成滤波模块；所述的比较器B、参考速度生成器和积分器B组成路径参数更新模块。2.多参数化路径导引的自主无人船协同操纵控制器的设计方法，其特征在于：所述的无人船可用以下微分方程组描述：其中，下标i代表编号为i的无人船；xi,1＝[pi,qi,ψi]T表示地球坐标系下无人船的横向位置、纵向位置与船舶航向；R(ψi)为地球坐标系到船体坐标系的坐标变换矩阵，表示为：xi,2代表船体坐标系下无人船的速度向量；Mi代表无人船的惯性矩阵；ui表示无人船的控制输入力矩；fi(xi,1,xi,2)为无人船中的不确定性非线性动态；wi代表由外部海洋环境产生的扰动；通讯网络的结构如下：无人船编队的通讯网络由N个节点组成，其中含有M个无人船节点和N-M个领航者节点，这里的领航者节点个数可由编队的期望队形确定；通讯网络结构可用图G描述：其中，集合V代表编队内部包含M艘无人船和N-M个领航者；集合ε表示编号为i的节点与编号为j的节点之间存在通信联系；M艘无人船与N-M个领航者的通讯关系用下面的邻接矩阵A描述：当ai,j＝1时，则表示编号为j的节点的信息传递给编号为i的节点，即编号为j的节点是编号为i的节点的邻居；其他情况下ai,j＝0；对于编号为i的无人船节点，定义两个集合Fi和Li，分别代表该无...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭周华，张义博，王丹，刘陆，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21