一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统，导引系统是由虚拟的船来产生期望的轨迹，从而得到船舶编队领导者在各个时刻的期望位姿及期望速度。GPS，陀螺仪等传感器采集各个船舶实际位姿及速度信息。图论描述了编队中的信息流向。各船舶间的信息经过图论传输给避碰和避障系统。避碰和避障系统根据障碍物的位置和船舶之间的位置产生响应的信息。控制器基于避碰和避障系统、期望编队、以及领导船的位姿速度信息设计，辅助动态系统被用来处理控制器的饱和问题，控制器产生的信号传输给船舶的执行机构，调整每艘欠驱船的艏向和速度，到达期望编队。本发明专利技术实现了编队避碰和避障设计，同时考虑了欠驱船的推力饱和；这使本专利更容易应用到实践。更容易应用到实践。更容易应用到实践。

【技术实现步骤摘要】
一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统


[0001]本专利技术涉及一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统。

技术介绍

[0002]在近十年间，由于无人船编队在搜索救援、资源勘探、海洋清污等方面的广泛的用途，无人船编队控制引起了控制领域的关注。
[0003]在设计无人船编队控制的方面，已经有许多专利给出了关于无人船的分布式控制器。然而很少有专利考虑避碰和避障的问题。中国专利CN110196599A提出了一种针对无人艇的分布式控制方法，避碰和连接保持这两个任务也得到了实现。然而该专利并未考虑执行机构机构的物理限制，这就意思着其控制器很难应用于实践。编队避碰和避障的一个难点在于：一般设计的避碰和避障均需要远超执行机构所能提供的力。不同于CN110196599A，本专利提供了另一种编队避碰和避障控制的解决方法。势能函数被应用于避碰和避障函数，这种设计提供了一个相对平缓的避碰和避障轨迹。辅助动态系统被用来处理输入饱和和欠驱问题，并且辅助动态的引入并未影响避碰和避障的实现。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了提供一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：包括避碰和避障系统、障碍物、控制器、图论、欠驱船、领导船、执行机构、辅助动态系统、期望编队、干扰观测器，领导船是由虚拟的船来产生轨迹，根据此轨迹，期望编队、避碰和避障系统得到各个船在各个时刻的期望位姿及期望速度；传感器采集到的各个船舶位置和速度信息通过图论得出的第i条船附近的船的信息，避碰和避障系统根据该信息、障碍物信息产生相应的避碰和避障函数，并将其传出控制器，控制器根据领导船的信息、期望编队产生的信号、避碰和避障系统输出的信息、干扰观测器对干扰的估计值产生相应的信号，并将其传输给执行机构，执行机构调整船舶的纵向推力和舵角实现对第i条船的准确控制，实现期望的编队队形。
[0006]本专利技术还包括这样一些结构特征：
[0007]1.图论用来描述无人船编队之间的信息流向，有向图G＝{V
G
，θ}包含了一组矢量V
G
＝{0,1,
…
,n}和矢量θ＝{(i,j)∈{0,1,
…
,n}
×
V
G
}，n代表欠驱船的个数；(i,j)∈θ描述了第j条船的信息可以传递给第i条船；描述了第i条船的信息不能传递给第j条船；当第i条船靠近第j条船时，第j条船维持当前航向和航速，因为第j条船其无法获得第i条船的信息，无法做出避碰和避障机动，第i条船需要做出避让以避免碰撞。
[0008]2.避碰和避障系统是根据第i条船附近的船和障碍物信息设计的，当第i条船远离障碍物和其他无人船时，避碰和避障系统不起作用；当第i条船接近障碍物或其他无人船时，避碰和避障成为首要任务，编队跟踪任务暂时中止，以便于绕过障碍物；避碰和避障系统提供了两种避碰和避障轨迹，第一种为第i条船在附近无人船的后面穿越，和障碍物在右舷相遇；第二种为第i条船在附近无人船的前方穿越，和障碍物在左舷相遇。
[0009]3.欠驱船有四个，i＝1，2，3，4。
[0010]4.控制器的设计过程具体包括：
[0011]第一步：定义编队位置误差矢量如下：
[0012][0013]式中：如果第i艘船可以获得第j艘船的信息a
ij
＝1，否则a
ij
＝0；p
ijd
是期望的第i艘船相对第j艘船的位置，艘船相对第j艘船的位置，是实现避碰和避障目标的系统函数，
[0014]为了稳定p
ie
，虚拟控制律β
i
＝[β
i1 β
i2
]T
被设计为：
[0015][0016]其中，K
1i
是正定的增益矩阵，
[0017]第二步：定义航向角误差如下
[0018]ψ
ie
＝ψ
i
‑
ψ
ia
，
[0019]ψ
ia
＝ψ
j
‑
atan(v
i
/u
j
)
‑
atan(β
i2
/Δ)
[0020]式中：Δ是表达前向距离的常数，atan是反正切函数；
[0021]为了稳定ψ
ie
，虚拟控制律β
i3
被设计如下
[0022][0023]式中：k
i2
是正常数；
[0024]第三步：定义速度误差如下：
[0025][0026][0027][0028]式中：是β
i1
,β
i2
,β
i3
通过一阶滤波器得到的参数，α
i1
,α
i2
,α
i3
为辅助动态系统的参数，用来处理输入饱和和欠驱的问题，Υ1是正常数；
[0029]第四步：辅助动态系统参数的更新律被设计为：
[0030][0031][0032][0033]式中：k
i4 T
u T
r
是正常数；
[0034]第五步：第i艘船的控制律被设计如下：
[0035][0036][0037]式中：k
i3 k
i5
是正常数。
[0038]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术涉及一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统。导引系统是由虚拟的船来产生期望的轨迹，从而得到船舶编队领导者在各个时刻的期望位姿及期望速度。GPS，陀螺仪等传感器采集各个船舶实际位姿及速度信息。图论描述了编队中的信息流向。各个船舶之间的信息经过图论传输给避碰和避障系统。避碰和避障系统根据障碍物的位置和船舶之间的位置产生响应的信息。控制器基于避碰和避障系统、期望编队、以及领导船的位姿速度信息设计，辅助动态系统被用来处理控制器的饱和问题，控制器产生的信号传输给船舶的执行机构，从而调整每艘欠驱船的艏向和速度，到达期望编队。此专利技术的优点在于实现了编队避碰和避障设计，同时考虑了欠驱船的推力饱和；这使得本专利更容易应用到实践。
附图说明
[0039]图1是一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统。
[0040]图2是包含4艘无人船和1艘领导船的编队控制效果图。
[0041]图3是各艘船的控制输入图。
[0042]图中：1—避碰和避障系统；2—障碍物；3—分布式控制器；4—图论；5—欠驱船1；6—欠驱船2；7—欠驱船3；8—欠驱船4；9—领导船；10—执行机构；11—辅助动态系统；12—期望编队；13—干扰观测器。
具体实施方式
[0043]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。
[0044]本专利技术是设计了能实现欠驱船编队避碰和避障的控制系统包括避碰和避障系统1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统，其特征在于：包括避碰和避障系统、障碍物、控制器、图论、欠驱船、领导船、执行机构、辅助动态系统、期望编队、干扰观测器，领导船是由虚拟的船来产生轨迹，根据此轨迹，期望编队、避碰和避障系统得到各个船在各个时刻的期望位姿及期望速度；传感器采集到的各个船舶位置和速度信息通过图论得出的第i条船附近的船的信息，避碰和避障系统根据该信息、障碍物信息产生相应的避碰和避障函数，并将其传出控制器，控制器根据领导船的信息、期望编队产生的信号、避碰和避障系统输出的信息、干扰观测器对干扰的估计值产生相应的信号，并将其传输给执行机构，执行机构调整船舶的纵向推力和舵角实现对第i条船的准确控制，实现期望的编队队形。2.根据权利要求1所述的一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统，其特征在于：图论用来描述无人船编队之间的信息流向，有向图G＝{V
G
，θ}包含了一组矢量V
G
＝{0,1,
…
,n}和矢量θ＝{(i,j)∈{0,1,
…
,n}
×
V
G
}，n代表欠驱船的个数；(i,j)∈θ描述了第j条船的信息可以传递给第i条船；描述了第i条船的信息不能传递给第j条船；当第i条船靠近第j条船时，第j条船维持当前航向和航速，因为第j条船其无法获得第i条船的信息，无法做出避碰和避障机动，第i条船需要做出避让以避免碰撞。3.根据权利要求2所述的一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统，其特征在于：避碰和避障系统是根据第i条船附近的船和障碍物信息设计的，当第i条船远离障碍物和其他无人船时，避碰和避障系统不起作用；当第i条船接近障碍物或其他无人船时，避碰和避障成为首要任务，编队跟踪任务暂时中止，以便于绕过障碍物；避碰和避障系统提供了两种避碰和避障轨迹，第一种为第i条船在附近无人船的后面穿越，和障碍物在右舷相遇；第二种为第i条船在附近无人船的前方穿越，和障碍物在左舷相遇。4.根据权利要求1
‑
3任意一所述的一种实现避碰和避障的欠驱船编队控制系统，其特征在于：欠驱船有四个，i＝1，2，3，4。5.根据权利要求1
‑
3任意一所述的一种实现避...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏国清，夏小明，孙显信，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：