一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法技术

一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，包括步骤：根据多无人艇的控制任务需要以及控制过程的信息传递过程，建立多无人艇闭环控制的基本框架；将无人艇的期望目标或者期望航线转化为期望航速u

【技术实现步骤摘要】
一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法
本专利技术属于无人艇控制
，具体地说是一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法。
技术介绍
对于一个完整的无人艇系统而言，所需的内核主要包括：雷达、无线通讯、光学感知模块、运动控制系统、以及动力执行机构等独立单元。目前无人艇的发展具有两个趋势，第一个趋势是从人工遥控驾驶过渡到无人自主驾驶，另一个趋势是从单艘无人艇的控制扩展到无人艇编队的控制。在自动驾驶逐渐取代人工遥控驾驶的大趋势下，运动控制在其中作为很重要的一个环节，主要包含以下六个研究方向：1)航速与航向控制；2)动力定位控制；3)路径跟踪；4)轨迹跟踪；5)智能规划、避障与导航；6)多智能体协作编队控制等。在无人艇的航速与航向控制方面，国内外已经有了大量的研究和文献成果，其中主要的研究方法包括PID控制法、反步法、滑模控制理论、模糊控制法和自适应控制法等。在未来战争中仅靠单艘无人艇自主作战难以适应复杂的战场环境，而具备有效协同策略的无人艇集群编队能更好的完成任务。因为多船协作形成的船舶编队在海事搜救、海洋资源探测和环境监测、舰队协同作战等方面具有容错性强、适应性好及执行效率高等多重优点。因此，通过对船舶编队的控制方法开展必要研究，完成对多船编队的有效控制，在军事国防、生产运输等领域具有宽广的应用范畴与广阔的发展前景。Fahimi将领航者-跟随者编队方法与滑模控制理论相结合，提出了l_ψ和l_l两种滑模控制律，用于完成对编队内各船相对位置的控制。在其控制律设计过程中，考虑到了运动模型参数变化和外界环境干扰等不利影响，但其控制器只能保证在光滑曲线下的运动稳定性，跟随船在拐点处容易发生航向振荡的问题，降低了该控制器在实际应用中的可靠性。
技术实现思路
为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采取以下技术方案：一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，包括以下步骤：S1，根据无人艇的控制任务需要以及控制过程的信息传递过程，建立无人艇闭环控制的基本框架；S2，将无人艇的期望目标或者期望航线转化为期望航速ud和期望艏向角ψd；S3，通过设计扰动观测器和滑模控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即分别对喷水推力T以及喷口角δ大小进行设计，使无人艇保持期望的航向；S4，采用协同控制方式，选择其中一艘无人艇作为路径跟踪参考艇对其进行航线路径规划，其他无人艇保持与路径跟踪参考艇一致的航行路径；S5，实时检测各无人艇的位置、艏向角、艇体速度，反馈至步骤S2，与期望航速ud和期望艏向ψd比较，从而调整当前的航行速度和航行艏向，形成一个完整的闭环控制。所述步骤S1具体包括：建立无向图(vp,εp)，无向图(vp,εp)来表示无人艇之间的通信网络，其中vp＝{1,…,p}为有限非空节点集，表示边集，节点i对应无人艇i,节点j对应无人艇j，边(i,j)∈εp表示无人艇i和无人艇j可以互相得到对方的消息，节点的数量等于无人艇的数量，确定其中一个节点为路径跟踪参考节点，其他节点分别与路径跟踪参考节点连通，路径跟踪参考节点对应路径跟踪参考艇，其他节点对应其他无人艇，从而使得其他无人艇均能够与路径跟踪参考艇进行信息连通。所述步骤S2具体包括：S201，确定无人艇的航行路径即期望航线，并在二维平面进行标记；S202，给定期望航速，采用LOS导航法计算当前位置下无人艇的期望艏向角ψd，采用如下函数计算得到：从航行路径中取出两个相邻的路径点，分别为Pk(xk,yk)和Pk+1(xk+1,yk+1)，无人艇所在位置的坐标为(x,y)，其中ψr为当前航向与期望航向间的相对夹角，e为横向跟踪误差，αk为航行路径方向角，误差e以无人艇在期望路径右侧为正，无人艇在左侧则为负。所述步骤S3具体包括：S301，选取三自由度无人艇运动模型，各自由度上的扰动函数用w1、w2和w3表示；S302，设定无人艇的航行速度为恒定速度，相应的对喷水推力T以及喷口角δ大小保持相对恒定；S303，采用滑模控制算法使无人艇的当前艏向角与期望艏向角相同或者误差在设定范围内。所述步骤S303具体为：定义无人艇的真实艏向为ψ，期望艏向为ψd，则相应的期望艏向误差为设计如下关于艏向误差的一阶滑模面S1，其中滑模变量用λ示，转艏的角速度用r表示，无人艇的横向航速和纵向航速分别用u、v表示：定义Lyapunov函数：对等式两边分别求导：其中使用到的质量系数m，阻尼系数d均为已知量，k1为扰动增益。定义期望喷口角为δd，且满足如下条件：δd＝δ1+δ2式中δ1表示期望艏向角下的喷口角，δ2表示经过控制调整的喷口角。式中k2表示控制参数；f(S1)表示控制算法的趋近律函数，本专利技术中为饱和函数sat(S1)，饱和函数的数学格式为：当S1>κ或S1<-κ时：令δ＝δd，且k2>|S1|/(4k1)，则：因此|S1|数值将逐渐收敛小于κ。当-κ≤S1≤κ时：当艏向角误差收敛于零时，完成对期望航向的控制。所述步骤S4具体包括：各艘无人艇之间建立连通拓扑结构，各个无人艇均可以和路径跟踪参考艇进行信息连通，令无人艇之间实时交换目标点的参数xi，根据邻居的目标点的值调整自己的值，给出一致性算法：其中，aij为无向图的邻接矩阵。附图说明附图1为本专利技术流程示意图；附图2为无人艇行驶路径示意图；附图3为多无人艇无向图。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。如附图1-3所示，本专利技术揭示了一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，包括以下步骤：S1，根据无人艇的控制任务需要以及控制过程的信息传递过程，建立无人艇闭环控制的基本框架；S2，将无人艇的期望目标或者期望航线转化为期望航速ud和期望艏向角ψd；S3，通过设计扰动观测器和滑模控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即分别对喷水推力T以及喷口角δ大小进行设计，使无人艇保持期望的航向；S4，采用协同控制方式，选择其中一艘无人艇作为路径跟踪参考艇对其进行航线路径规划，其他无人艇保持与路径跟踪参考艇一致的航行路径；S5，实时检测各无人艇的位置、艏向角、艇体速度，反馈至步骤S2，与期望航速ud和期望艏向ψd比较，从而调整当前的航行速度和航行艏向，形成一个完整的闭环控制。所述步骤S1具体包括：建立无向图(vp,εp)，无向图(vp,εp)来表示无人艇之间的通信网络，其中vp＝{1,…,p}为有限非空节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，包括以下步骤：/nS1，根据无人艇的控制任务需要以及控制过程的信息传递过程，建立无人艇闭环控制的基本框架；/nS2，将无人艇的期望目标或者期望航线转化为期望航速u

【技术特征摘要】
1.一种基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，包括以下步骤：
S1，根据无人艇的控制任务需要以及控制过程的信息传递过程，建立无人艇闭环控制的基本框架；
S2，将无人艇的期望目标或者期望航线转化为期望航速ud和期望艏向角ψd；
S3，通过设计扰动观测器和滑模控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即分别对喷水推力T以及喷口角δ大小进行设计，使无人艇保持期望的航向；
S4，采用协同控制方式，选择其中一艘无人艇作为路径跟踪参考艇对其进行航线路径规划，其他无人艇保持与路径跟踪参考艇一致的航行路径；
S5，实时检测各无人艇的位置、艏向角、艇体速度，反馈至步骤S2，与期望航速ud和期望艏向ψd比较，从而调整当前的航行速度和航行艏向，形成一个完整的闭环控制。


2.根据权利要求1所述的基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
建立无向图(vp,εp)，无向图(vp,εp)来表示无人艇之间的通信网络，其中vp＝{1,…,p}为有限非空节点集，表示边集，节点i对应无人艇i,节点j对应无人艇j，边(i,j)∈εp表示无人艇i和无人艇j可以互相得到对方的消息，节点的数量等于无人艇的数量，确定其中一个节点为路径跟踪参考节点，其他节点分别与路径跟踪参考节点连通，路径跟踪参考节点对应路径跟踪参考艇，其他节点对应其他无人艇，从而使得其他无人艇均能够与路径跟踪参考艇进行信息连通。


3.根据权利要求2所述的基于LOS导航法的多无人艇协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S201，确定无人艇的航行路径即期望航线，并在二维平面进行标记；
S202，给定期望航速，采用LOS导航法计算当前位置下无人艇的期望艏向角ψd，采用如下函数计算得到：



从航行路径中取出两个相邻的路径点，分别为Pk(xk,yk)和Pk+1(xk+1,yk+1)，无人艇所在位置的坐标为(x,y)，其中ψr为当前航向与期望航向间的相对夹角，e为横向跟踪误差，αk为航行路径方向角，误差e以无人艇在期望路径右侧为正，无人艇在左侧则为负。


4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏厚胜，万黎楠，耿涛，
申请(专利权)人：广东华中科技大学工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44