一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，包括以下步骤：构建水面无人艇的动态模型；定义第i个水面无人艇与其领导者之间的距离变量；设计水面无人艇编队距离误差与方位角误差的性能函数，采用tan型障碍李雅普诺夫函数确保距离误差与方位角误差满足暂态性能的约束条件；设计第i个水面无人艇的速度估计器；运用反步设计法针对第i个水面无人艇的距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器设计；在控制器设计中运用动态面技术避免对虚拟控制器求导。本发明专利技术能避免水面无人艇与其领导者发生碰撞，编队误差满足预设的暂态性能，控制效果佳。

A design method of output feedback formation control for UAV with preset performance

【技术实现步骤摘要】
一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法
本专利技术涉及水面无人艇的编队控制领域，特别涉及一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法。
技术介绍
近些年来，水面无人艇的编队控制越来越成为研究的热点，具有一定编队结构的一群水面无人艇在完成某些复杂危险操作时相比单个水面无人艇效率更高，诸如目标搜寻、环境保护、资源测量等。在众多的编队结构中，领导者-跟随者编队结构因为其结构简单并易于扩展，因而得到了更多的关注，目前关于此编队结构已有一定的研究成果。在基于输出反馈的领导者-跟随者编队结构中，每个水面无人艇设计各自的速度估计器，传统的速度估计器采用高增益的设计方法，由于高增益估计器本身是线性的，所以对于非线性不确定系统存在缺陷，而水面无人艇正是高度非线性系统。由于每个水面无人艇需要利用通讯获取其领导者和跟随者信息，而通讯范围却是有限的，因此所设计的控制器应使得在编队运动的整个过程中每个水面无人艇都能始终利用通讯获取其领导者和跟随者信息，同时还需要与其领导者保持一定的安全距离以避免发生碰撞。性能受限的设计方法，可以解决这个问题，具体的设计方法为设计常数上下边界，以及转换函数，使得所控制的状态维持在此边界之中，此方法只能保证稳态的性能。在实际的应用中暂态性能也是需要考虑的问题，因为若编队误差收敛太慢则每个水面无人艇需要更长的时间才能达到其期望位置，而编队误差的超调量过大，则可能会导致每个水面无人艇在运动过程与其领导者发生碰撞。因此需对编队误差的暂态性能，如收敛速度与超调量等进行限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，本方法针对模型不确定的水面无人艇设计编队控制器，既能保证在领导者-跟随者编队结构中，每个水面无人艇都能始终利用通讯获取其领导者与跟随者的信息，同时保证了编队误差的暂态性能。为实现以上目的，本专利技术采取如下技术方案：一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，包含以下步骤：步骤(1)：建立领导者-跟随者编队结构中水面无人艇的动态模型；步骤(2)：定义领导者-跟随者编队结构中第i个水面无人艇与其领导者之间的角度和距离变量di，i＝1，2，3...N，并确保距离变量di满足水面无人艇的通讯约束条件，即第i个水面无人艇能够利用通讯获取其领导者与跟随者的信息；步骤(3)：根据领导者-跟随者编队距离误差edi和方位角误差eψi的约束条件，设计指数递减的性能函数βji，采用tan型障碍李雅普诺夫函数确保编队距离误差edi和方位角误差eψi满足暂态性能的约束条件；步骤(4)：领导者-跟随者编队中第i个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的位置信息，并结合自身信息采用RBF神经网络设计其速度估计器；步骤(5)：利用步骤(4)第i个水面无人艇速度估计值，运用反步设计法针对第i个水面无人艇的距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器设计；步骤(6)：领导者-跟随者编队结构中每个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的信息，在控制器设计中运用动态面技术避免对虚拟控制器求导；步骤(7)：基于步骤(3)到步骤(6)中的tan型障碍李雅普诺夫函数、RBF神经网络技术、反步设计法与动态面技术设计编队控制器。作为优选的技术方案，步骤(1)中，第i个水面无人艇的动态模型为：其中，ηi＝[xi，yi，ψi]T为第i个水面无人艇相对于大地坐标的位置和航向角，其中xi为第i个水面无人艇在x轴的坐标，yi为第i个水面无人艇在y轴的坐标，ψi为第i个水面无人艇的航向角；vi＝[ui，vi，ri]T为第i个水面无人艇的速度向量，其中ui为第i个水面无人艇的纵向速度，vi为第i个水面无人艇的横向速度，ri为第i个水面无人艇的航向角速度；τi＝[τui，τvi，τri]T为第i个水面无人艇的控制输入向量，其中τui为第i个水面无人艇的纵向控制输入，τvi为第i个水面无人艇的横向控制输入，τri为第i个水面无人艇的航向控制输入；J(ηi)为第i个水面无人艇的旋转矩阵；Mi为第i个水面无人艇的质量矩阵；C(vi)为第i个水面无人艇的科氏力矩阵；D(vi)为第i个水面无人艇的阻尼矩阵；其中：其中c13i(vi，ri)＝-m22ivi-m23iri，d22i(vi，ri)＝-Yvi-Y|vi|vi|vi|-Y|ri|vi|ri|，d23i(vi，ri)＝-Yri-Y|vi|ri|vi|-Y|ri|ri|ri|，d32i(vi，ri)＝-Nvi-N|vi|vi|vi|-N|ri|vi|ri|，d33i(vi，ri)＝-Nri-N|vi|ri|vi|-N|ri|ri|ri|。mi表示第i个水面无人艇的质量；xgi表示第i个水面无人艇的中心和重心之间的距离；Izi，Xui，X|ui|ui，Xuiuiui，Yvi，Y|vi|vi，Y|ri|vi，Yri，Y|vi|ri，Y|ri|ri，Nvi，N|vi|vi，N|ri|vi，Nri，N|vi|ri，N|ri|ri为第i个水面无人艇的动力参数，通常可由海上试验得到。作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述第i个水面无人艇与其领导者之间的距离变量di和角度具体由如下公式定义：为了保证水面无人艇能够实时利用通讯获取其领导者与跟随者的信息，要求在整个编队的运动过程中距离变量di满足碰撞避免和通讯约束条件：dcol，i＜di(t)＜dcon，i其中，dcol，1、dcon，i分别为设计的第i个水面无人艇的碰撞距离、通讯距离；为了保证水面无人艇编队满足碰撞避免和通讯约束条件以及保持领导者-跟随者编队形式，定义编队距离误差edi和方位角误差eψi：edi＝di-ddes，ieψi＝ψi-1-ψi其中，ddes，i＝(dcol，i+dcon，i)/2为设计的第i个水面无人艇与其领导者之间的期望距离，编队距离误差edi满足以下约束条件：dcol，i-ddes，i＜edi(t)＜dcon，i-ddes，i进一步，要求编队距离误差edi和方位角误差eψi满足以下时变函数约束：|edi|＜βdi(t)|eψi|＜βψi(t)。作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述指数递减的性能函数βji的具体形式为：其中，βdi，0＝dcon，i-ddes，i，βψi，0分别为距离、方位角性能函数的初始值，βji，∞为性能函数的稳态值，κji为性能函数的设计参数；采用tan型障碍李雅普诺夫函数为：当设计的编队控制器能保证tan型障碍李雅普诺夫函数Vdi，Vψi始终有界，则误差edi，eψi始终满足|edi|＜βdi(t)，|eψi|＜βψi(t)；则编队距离变量di始终满足暂态性能的约束条件：-βdi＜edi＜βdi约束条件表示编队误差eji的收敛速度始终大于性能函数βji的收敛速度，编队误差eji的超调量始终小于性能函数βii所构造的边界。作为优选的技术方案，步骤(4)中，针对第i个水面无人艇，设计其速度估计器为：其中，为第i个水面无人艇位置ηi的估计值；为第i个水面无人艇速度vi的估计值；K1i＞0为设计参数矩阵，K2i＞0为设计参数矩阵，K3i＞0为设计参数矩阵。设计RBF神经网络估计器的更新率为：其中，Γl1i为自适应增益；σl1i＞0为权值修正本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤(1)：建立领导者‑跟随者编队结构中水面无人艇的动态模型；步骤(2)：定义领导者‑跟随者编队结构中第i个水面无人艇与其领导者之间的角度

【技术特征摘要】
1.一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤(1)：建立领导者-跟随者编队结构中水面无人艇的动态模型；步骤(2)：定义领导者-跟随者编队结构中第i个水面无人艇与其领导者之间的角度和距离变量di，i＝1，2，3...N，并确保距离变量di满足水面无人艇的通讯约束条件，即第i个水面无人艇能够利用通讯获取其领导者与跟随者的信息；步骤(3)：根据领导者-跟随者编队距离误差edi和方位角误差eψi的约束条件，设计指数递减的性能函数βji，采用tan型障碍李雅普诺夫函数确保编队距离误差edi和方位角误差eψi满足暂态性能的约束条件；步骤(4)：领导者-跟随者编队中第i个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的位置信息，并结合其自身信息采用RBF神经网络设计速度估计器；步骤(5)：利用步骤(4)第i个水面无人艇速度估计值，运用反步设计法针对第i个水面无人艇的距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器设计；步骤(6)：领导者-跟随者编队结构中每个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的信息，在控制器设计中运用动态面技术避免对虚拟控制器求导；步骤(7)：基于步骤(3)到步骤(6)中的tan型障碍李雅普诺夫函数、RBF神经网络技术、反步设计法与动态面技术设计编队控制器。2.根据权利要求1所述的一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，其特征在于，步骤(1)中，第i个水面无人艇的动态模型为：其中，ηi＝[xi，yi，ψi]T为第i个水面无人艇相对于大地坐标的位置和航向角，其中xi为第i个水面无人艇在x轴的坐标，yi为第i个水面无人艇在y轴的坐标，ψi为第i个水面无人艇的航向角；vi＝[ui，vi，ri]T为第i个水面无人艇的速度向量，其中ui为第i个水面无人艇的纵向速度，vi为第i个水面无人艇的横向速度，ri为第i个水面无人艇的航向角速度；τi＝[τui，τvi，τri]T为第i个水面无人艇的控制输入向量，其中τui为第i个水面无人艇的纵向控制输入，τvi为第i个水面无人艇的横向控制输入，τri为第i个水面无人艇的航向控制输入；J(ηi)为第i个水面无人艇的旋转矩阵；Mi为第i个水面无人艇的质量矩阵；C(vi)为第i个水面无人艇的科氏力矩阵；D(vi)为第i个水面无人艇的阻尼矩阵；其中：其中c13i(vi，ri)＝-m22ivi-m23iri，d22i(vi，ri)＝-Yvi-Y|vi|vi|vi|-Y|ri|vi|ri|，d23i(vi，ri)＝-Yri-Y|vi|ri|vi|-Y|ri|ri|ri|，d32i(vi，ri)＝-Nvi-N|vi|vi|vi|-N|ri|vi|ri|，d33i(vi，ri)＝-Nri-N|vi|ri|vi|-N|ri|ri|ri|；mi表示第i个水面无人艇的质量；xgi表示第i个水面无人艇的中心和重心之间的距离；Izi，Xui，X|ui|ui，Xuiuiui，Yvi，Y|vi|vi，Y|ri|vi，Yri，Y|vi|ri，Y|ri|ri，Nvi，N|vi|vi，N|ri|vi，Nri，N|vi|ri，N|ri|ri为第i个水面无人艇的动力参数，由海上试验得到。3.根据权利要求2所述的一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述第i个水面无人艇与其领导者之间的距离变量di和角度具体由如下公式定义：为了保证水面无人艇能够实时利用通讯获取其领导者与跟随者的信息，要求在整个编队的运动过程中距离变量di满足碰撞避免和通讯约束条件：dcol，i＜di(t)＜dcon，i其中，dcol，i、dcon，i分别为设...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴诗陆，叶青照，王敏，董超，
申请(专利权)人：华南理工大学，国家海洋局南海调查技术中心国家海洋局南海浮标中心，
类型：发明
国别省市：广东,44