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

本发明专利技术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。本发明专利技术的控制器可以实现多无人船沿单条给定轨迹运动的行为，同时本发明专利技术提出的方法也能更好地排除干扰，稳定地跟踪轨迹。本发明专利技术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。本发明专利技术采用输出反馈设计，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决现有技术中存在上述不足，本专利技术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，本专利技术的技术方案如下：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；xi、yi、ψi∈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；ui、vi、ri∈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；miu、miv、mir∈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；fiu(·)、fiv(·)、fir(·)∈R分别是无人船纵向、横向和艏摇的不确定性；tiwu、tiwv、tiwr∈R分别代表外界对无人船的纵向、横向和艏摇方向扰动；τiu、τiv、τir∈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ηr；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xi、yi、ψi、从通讯网络中获取的其他无人船的位置信号xj、yj、ψj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，pi＝(xi，yi)是第i艘无人船的位置信号，pij＝pi-pj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；Rf、rf分别是给定的无人船之间的群集运动控制距离上、下界；aij＝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aij＝0；Kp为群集运动控制增益；为坐标变换矩阵的转置；K1i为设定的控制器增益；Δ1i为饱和常数；κi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，ki1、ki2、ρi1、ρi2、γi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τi和无人船输出的状态信息ηi＝(xi，yi，ψi)；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；Mi＝diag{miu，miv，mir}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τi＝(τiu，τiv，τir)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；K2i＝diag{K2iu，K2iv，K2ir}为动力学控制增益；Δ2i为饱和常数。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：第一，与现有多无人船群集运动控制器相比，本专利技术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，同时本专利技术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，本专利技术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，本专利技术采用输出反馈设计，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，本专利技术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是多无人本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；xi、yi、ψi∈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；ui、vi、ri∈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；miu、miv、mir∈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；fiu(·)、fiv(·)、fir(·)∈R分别是无人船纵向、横向和艏摇的不确定性；tiwu、tiwv、tiwr∈R分别代表外界对无人船的纵向、横向和艏摇方向扰动；τiu、τiv、τir∈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ηr；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...

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