考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，包括：建立统一的无人艇群编队的图论表示方法；建立无人艇通用的三自由度动力学模型与运动学模型；根据已经规划的路径、姿态参量、期望航向，给出编队控制的目标函数；根据已建立的动力学模型和运动学模型，构建模型不确定性和外界扰动估计的扩张观测器；根据已经建立的扩张观测器和控制目标，设计无人艇编队协同自抗扰控制律。本发明专利技术提出了基于线性跟踪的抗扰动控制方法，并给出了自适应控制率，实现了无人艇群编队的时变漂角补偿和姿态的调节，因而可实现无人艇群的编队位置跟踪、姿态调节的一体化调控。

【技术实现步骤摘要】
考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法
本专利技术属于无人艇群控制领域，更具体地，涉及一种考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法。
技术介绍
无人艇群的跟踪控制是实现其自主跟踪、跟随、艇群协作的重要保障，艇群跟随控制时今年来的研究热点，其中，传统的利用分布式跟随控制架构较多的采用多运动体一致性的编队控制方法，该方法处理艇之间位置和运行方向固定时有较好的效果。传统的控制方法通常将艇当做刚体进行处理，但是在实际运行过程中，由于外界干扰不一致，并且排列的方式时刻变化，并在编队中进行旋转运行时，相邻艇之间的姿态调整、漂角实时变化等导致的相对位置变化难以计算，同时由于跟随者与领航者的通讯半径有限，为了在大海中超大的通讯半径的场景下通讯及时有效，提出分布式编队控制算法，保证控制系统能够补偿时变漂角，并对姿态进行实时调控，到达艇群协同作业的目的。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术采取了以下技术方案：一种考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立统一的图论表示方法；步骤2：建立统一的无人艇三自由度动力学模型和运动学模型；步骤3：根据已经规划的无人艇群编队路径信息，构建无人艇的控制目标，包括无人艇的漂角、位姿、速度；步骤4：根据已建立的动力学模型和运动学模型，构建模型不确定性和外界扰动估计的扩张观测器；步骤5：根据已经建立的扩张观测器和控制目标，设计无人艇编队协同自抗扰控制律。所述步骤1中的图论表示方法为：无人艇群构建成为一个邻接图，采用图P表示，该邻接图为一个无向图，图P使用点线进行表示，即P:＝{V,E}，其中V为顶点集合即为单艇个数，表示为V＝{1,...,N}，N为顶点个数，E为邻接图中边的集合，表示为E＝{(i,j)|||qi-qj||≤κ；i,j∈V&i≠j}，qi，qj为顶点位置坐标，κ为相邻两个无人艇间的最大距离偏差，无人艇i的相邻艇定义为Nij(P):＝{j|(i,j)∈E}。所述步骤2中的三自由度运动学模型和动力学模型具体为：运动学模型：动力学模型为：式中pi＝[xi,yi]T为第i个无人艇质心在全局坐标系下的坐标，为pi关于时间的导数，θi为方向角，为θi关于时间的导数，ui,vi,ri分别代表无人艇纵荡速度、横荡速度、偏航角速度，为ui,vi,ri关于时间的导数，Ri(θi)为中间变量，表示旋转矩阵，Iiu，Iiv，Iir为三个方向的惯量，fiu，fir为控制量输入，diwu，diwv，diwr表示外界因素引起的扰动和模型的不确定性分量，giu(ui,vi,ri)，giv(ui,vi,ri)，gir(ui,vi,ri)表示非线性的阻尼矩阵，外界因素包括但不限于风、水浪。所述步骤3中控制目标具体表达为：基于一个包含m个跟随者和N-m个虚拟领航者的无人艇的编队，跟随者编号为1～m，虚拟领航者编号为1～N-m，虚拟领航者沿着规划的参数路径运行，路径信息定义为为轨迹规划的参量，为轨迹参量表示的无人艇k坐标，分别为无人艇k的x,y坐标，其中k＝1,...,N-m为虚拟领航者标号，为获取路径的详细信息及变化规律，定义路径的偏导数为并设定与有界，选取全局的领航者速度更新为：为虚拟领航者的速度标量，vg为跟踪所需参考速度；利用漂角对无人艇的期望航向进行实时修正，漂角定义如下：βi＝arctan(vi/ui)，βi表示为第i个无人艇的漂角，定义ξd为期望航向角，由于漂角的存在，重新定义期望航向为ξdai＝ξdi-βiξdi为第i个无人艇期望航向角，ξdai为采用漂角进行修正后第i个无人艇的期望航向角，为了使得无人艇编队实现路径跟踪，速度跟踪，姿态跟踪，时变漂角调整的目的，定义了如下控制目标，定义第i个无人艇与领航者的路径跟踪目标如下：式中为领航者k的权值，并有为辅助调整增广矩阵，为辅助变量，μ1为常量，表示容许的跟随误差值；虚拟领航者k速度跟随误差定义如下：式中为虚拟领航者k的速度标量，μ2为虚拟领航者的速度容许误差；姿态误差定义如下：式中为理论偏转，表示与领航者之间姿态偏差导数，μ3为姿态误差容许值；为实现艇群利用漂角补偿对航向角进行自适应修正，艇群航向角容许误差定义如下：式中ξi为艇i的期望航向角，为艇i的漂角关于时间的导数，μ4为漂角误差容许值。所述步骤4中扩张观测器为：为实现扰动和模型不确定性的观测，将动力学模型重写为如下形式：式中，为考虑扰动的惯量，分别为Iiu，Iiv，Iir的倒数，分别为和的倒数，为考虑扰动、模型不确定性的未知函数，建立如下扩张观测器：式中为观测增益矩阵，是的估计量，为的导数，为的导数，为状态量的估计矩阵，是的估计量，为模型不确定性的估计矩阵，时变惯量增广矩阵，为控制量增广矩阵，建立扩张观测器误差模型为：其中为估计的误差模型，分别为和的导数，定义统一的表达式由于模型不确定性和扰动不能无限制扩张，设定如下边界条件：式中为Ψi的导数，为了满足稳定性假设条件，设有式中l＝u,v,r，α1,α2,α3为正常数，式中表示为l＝u,v,r对li的导数，表示为对时间t的偏导数，表明扰动和模型不确定性为有界量。所述步骤6中的无人艇编队协同自抗扰控制律为：根据扩张观测器，针对给出的扰动误差和模型不确定性观测，给出了控制器的设计规律，首先给出误差的组成，ei1与ei2表示状态量和观测量的误差组成，表示第i个无人艇与其周边的无人艇b的误差值大小，pk(ψk)-po表示领航者误差值大小，po表示规划的全局坐标量，为漂角误差权值，Nib(P)，Nik(P)表示图论中的值大小，Nn表示当前无人艇需要考虑的相邻无人艇数量，通过运动学约束，并求导，得到：为旋转矩阵的导数，为旋转Ri(θi)的转置为，与分别为旋转矩阵Rb(θb)和Rb(θb)的转置，为偏航角误差导数，为ξdai关于时间的导数,为修正前偏航角ξdi关于时间的导数，为漂角关于时间的导数；定义则分布式自动跟踪率为：其中Ai1，Ai2，Ai3为动力学增益系数，，为的导数，，为控制变量系数矩阵，其中为hi的逆矩阵。所述相邻两个无人艇间的最大距离偏差κ大于相邻船体之间的安全距离。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术考虑了时变漂角对编队跟踪的影响，对漂角进行了实时补偿与调整，因而可达到更高的轨迹跟踪精度。2、与常规的编队协同控制不同，本专利技术兼顾艇群的姿态调控，使得跟随者不必当做一个质点或刚体进行处理，在轨迹跟踪的同时，使得方法适用于多种不同种类的艇群进行组合的场景，提高了艇群协同控制作业的灵活本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：建立统一的无人艇群编队的图论表示方法；/n步骤2：建立统一的无人艇三自由度动力学模型和运动学模型；/n步骤3：根据已经规划的无人艇群编队路径信息，构建无人艇的控制目标，包括无人艇的航向角、位姿、速度；/n步骤4：根据已建立的动力学模型和运动学模型，构建模型不确定性和外界扰动估计的扩张观测器；/n步骤5：根据已经建立的扩张观测器和控制目标，建立无人艇编队协同自抗扰控制律。/n

【技术特征摘要】
1.考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立统一的无人艇群编队的图论表示方法；
步骤2：建立统一的无人艇三自由度动力学模型和运动学模型；
步骤3：根据已经规划的无人艇群编队路径信息，构建无人艇的控制目标，包括无人艇的航向角、位姿、速度；
步骤4：根据已建立的动力学模型和运动学模型，构建模型不确定性和外界扰动估计的扩张观测器；
步骤5：根据已经建立的扩张观测器和控制目标，建立无人艇编队协同自抗扰控制律。


2.根据权利要求1所述的考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于：所述步骤1中的图论表示方法为：
无人艇群构建成为一个邻接图，采用图P表示，该邻接图为一个无向图，图P使用点线进行表示，即P:＝{V,E}，其中V为顶点集合即为单艇个数，表示为V＝{1,...,N}，N为顶点个数，E为邻接图中边的集合，表示为E＝{(i,j)|||qi-qj||≤κ；i,j∈V&i≠j}，qi，qj为顶点位置坐标，κ为相邻两个无人艇间的最大距离偏差，无人艇i的相邻艇定义为Nij(P):＝{j|(i,j)∈E}。


3.根据权利要求2所述的考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于：所述步骤2中的三自由度运动学模型和动力学模型具体为：
运动学模型：






动力学模型为：



式中pi＝[xi,yi]T为第i个无人艇质心在全局坐标系下的坐标，为pi关于时间的导数，θi为方向角，为θi关于时间的导数，ui,vi,ri分别代表无人艇纵荡速度、横荡速度、偏航角速度，为ui,vi,ri关于时间的导数，Ri(θi)为中间变量，表示旋转矩阵，Iiu，Iiv，Iir为三个方向的惯量，fiu，fir为控制量输入，diwu，diwv，diwr表示外界因素引起的扰动和模型的不确定性分量，giu(ui,vi,ri)，giv(ui,vi,ri)，gir(ui,vi,ri)表示非线性的阻尼矩阵，外界因素包括但不限于风、水浪。


4.根据权利要求3所述的考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于：所述步骤3中控制目标具体表达为：
基于一个包含m个跟随者和N-m个虚拟领航者的无人艇的编队，跟随者编号为1～m，虚拟领航者编号为1～N-m，虚拟领航者沿着规划的参数路径运行，路径信息定义为为轨迹规划的参量，为轨迹参量表示的无人艇k坐标，分别为无人艇k的x,y坐标，其中k＝1,...,N-m为虚拟领航者标号，为获取路径的详细信息及变化规律，定义路径的偏导数为并设定与有界，选取全局的领航者速度更新为：




为虚拟领航者的速度标量，vg为跟踪所需参考速度；
利用漂角对无人艇的期望航向进行实时修正，漂角定义如下：
βi＝arctan(vi/ui)，
βi表示为第i个无人艇的漂角，定义ξd为期望航向角，由于漂角的存在，重新定义期望航向为
ξdai＝ξdi-βi
ξdi为第i个无人艇期望航向角，ξdai为采用漂角进行修正后第i个无人艇的期望航向角，为了使得无人艇编队实现路径跟踪，速度跟踪，姿态...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢远龙，王书亭，蒋立泉，熊体凡，吴昊，李鹏程，孟杰，孙浩东，吴天豪，付清晨，
申请(专利权)人：广东省智能机器人研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44