一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法技术

本发明专利技术涉及船舶通信技术领域，尤其涉及一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，包括：S1，建立用于描述船舶的航向控制信息的二阶非线性方程；S2，建立多条船舶之间的信息交互拓扑图；S3，每条船舶通过信息交互拓扑图与其他的船舶建立通信，以获取相邻的船舶的航向控制信息，并根据航向控制信息计算出与相邻船舶之间的相对航向及相对回转率；S4，基于船舶的相对航向和相对回转率形成控制规则，根据控制规则控制船队中的跟随者跟踪船队中的领导者的航向。有益效果：提供一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，能够在船舶之间通信异常时基于船舶之间的航向偏差信息进行编队控制，以使船队能够正常的进行协同作业。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法
本专利技术涉及船舶通信
，尤其涉及一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法。
技术介绍
由于单只船舶携带能源有限、任务负载能力有限，不适合大范围区域的活动，且鲁棒性较差，即一旦船体发生故障将导致任务失败。因此，执行任务一般采用多船舶协同作业，多船舶编队作业可提供更强的适用性，例如多船协同作业扩大整个群体的感知区域；单船故障不影响整体任务，具有更高的可靠性；不同类型的船舶可携带不同的传感器和执行器，通过彼此协调合作，完成复杂的任务，弥补单船舶性能上的缺陷，具备更好的扩展性。因此，多条船舶协同作用共同完成复杂的任务具有重要的应用价值。但在现有技术中，协同控制中船舶之间通信交换信息，通信不可避免地存在丢失、中断等异常情况，此时很容易导致协同任务失败。因此，现需一种新型的船舶航向编队控制方法，能够在船舶之间通信异常时基于船舶之间的航向偏差信息进行编队控制。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法。具体技术方案如下：本专利技术包括一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，用于对多条船舶组成的船队进行编队控制，包括：步骤S1，建立用于描述所述船舶的航向控制信息的二阶非线性方程；步骤S2，建立多条所述船舶之间的信息交互拓扑图；步骤S3，每条所述船舶通过所述信息交互拓扑图与其他的船舶建立通信，以获取相邻的所述船舶的所述航向控制信息，并根据所述航向控制信息计算出与相邻所述船舶之间的相对航向及相对回转率；步骤S4，基于所述船舶的所述相对航向和所述相对回转率形成一控制规则，根据所述控制规则控制所述船队中的跟随者跟踪所述船队中的领导者的航向。优选的，于所述步骤S1中，所述航向控制信息包括所述船舶的航向及舵，通过下述公式表示为：其中，i＝0用于表示多条所述船舶中的领导者；i＝1,…,N用于表示多条所述船舶中的跟随者；ψi用于表示所述船舶的航向；用于表示所述船舶的回转率；δi用于表示所述船舶的控制输入舵角；Ti,Ki分别用于表示所述船舶的操纵性参数；di(t)用于表示所述船舶的外部干扰；为所述回转率的非线性函数，其中αi，βi为常数。优选的，于所述步骤S2中，所述信息交互拓扑图包括一个以所述领导者为根节点的最小生成树，用于记录一个或多个所述跟踪者与所述领导者之间的信息交互。优选的，于所述步骤S3中，通过下述公式获得所述船舶之间的所述相对航向：其中，ψi用于表示所述船舶的航向；用于表示所述船舶之间的信息交互关系；zi1,rt用于表示所述相对航向。优选的，于所述步骤S3中，通过下述公式获得所述船舶之间的所述相对回转率：其中，用于表示所述船舶的航向角速度；用于表示所述船舶之间的信息交互关系；zi2,rt用于表示所述相对回转率。优选的，于所述步骤S4中，所述控制规则包括：其中，ui用于表示所述船舶的控制输出；用于表示与第i个代理相关的时变耦合权重；δi用于表示所述船舶的控制输入舵角；zi1,rt用于表示所述相对航向；zi2,rt用于表示所述相对回转率。优选的，所述信息交互拓扑图为Markov切换拓扑图，在所述船舶之间通信异常时，所述Markov切换拓扑图进行切换。本专利技术的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，能够在船舶之间通信异常时基于船舶之间的航向偏差信息进行编队控制，以使船队能够正常的进行协同作业。附图说明参考所附附图，以更加充分的描述本专利技术的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本专利技术范围的限制。图1为本专利技术实施例中的船舶航向编队控制方法的步骤流程图；图2-5为本专利技术实施例实验中四条船舶的跟踪轨迹图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。本专利技术包括一种基于Markov(马尔科夫链)切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，用于对多条船舶组成的船队进行编队控制，如图1所示，包括：步骤S1，建立用于描述船舶的航向控制信息的二阶非线性方程；步骤S2，建立多条船舶之间的信息交互拓扑图；步骤S3，每条船舶通过信息交互拓扑图与其他的船舶建立通信，以获取相邻的船舶的航向控制信息，并根据航向控制信息计算出与相邻船舶之间的相对航向及相对回转率；步骤S4，基于船舶的相对航向和相对回转率形成一控制规则，根据控制规则控制船队中的跟随者跟踪船队中的领导者的航向。具体地，本实施例提供一种基于Markov切换拓扑图下的多船舶航向编队的控制方法。在步骤S1中，首先建立多船舶的数学模型，获取每条船舶的航向和舵关联的二阶非线性方程，即非线性Norrbin方程，并根据船舶的数学模型试验获取Norrbin方程中的相关参数，多条船舶的数学模型可以互不相同。在本实施例中，在多条船舶组成的船队中，包括领导者和跟随者，应用领导者-跟随者方法建立船舶集群的编队控制模型。在步骤S2中，建立跟随者船舶测量领导者船舶航向信息的拓扑模型，考虑到测量信息可能发生丢失、中断等，将该拓扑模型建立为Markov切换拓扑图的形式。在步骤S3中，每条船舶都可以通过Markov切换拓扑图获取与其他船舶之间的航向偏差信息，例如相对航向和相对回转率。最后，在步骤S4中，利用反步法设计了仅基于航向偏差信息的控制器，即根据跟随者与领导者之间的相对航向和相对回转率形成控制规则，使得跟随者船舶自动跟踪领导者的航向。反步设计法是一种递归设计方法，它是一种针对参数不确定系统的系统化设计方法，它的主要思想是通过递归地构造闭环系统的Lyapunov函数获得反馈控制器，选取控制律使得Lyapunov函数沿闭环系统轨迹的导数具有某种性能，保证闭环系统轨迹的有界性和收敛到平衡点，所选取的控制律就是系统镇定问题、跟踪问题、干扰抑制问题或者几种问题综合的解。反步设计方法既适用于线性系统也适用于非线性系统。反步法实际上是一种由前往后递推的设计方法，比较适合在线控制，达到减少在线计算时间的目的。在一种较优的实施例中，于步骤S1中，航向控制信息包括船舶的航向及舵，通过下述公式表示为：...

【技术保护点】
1.一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，用于对多条船舶组成的船队进行编队控制，其特征在于，包括：/n步骤S1，建立用于描述所述船舶的航向控制信息的二阶非线性方程；/n步骤S2，建立多条所述船舶之间的信息交互拓扑图；/n步骤S3，每条所述船舶通过所述信息交互拓扑图与其他的船舶建立通信，以获取相邻的所述船舶的所述航向控制信息，并根据所述航向控制信息计算出与相邻所述船舶之间的相对航向及相对回转率；/n步骤S4，基于所述船舶的所述相对航向和所述相对回转率形成一控制规则，根据所述控制规则控制所述船队中的跟随者跟踪所述船队中的领导者的航向。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Markov切换拓扑图的船舶航向编队控制方法，用于对多条船舶组成的船队进行编队控制，其特征在于，包括：
步骤S1，建立用于描述所述船舶的航向控制信息的二阶非线性方程；
步骤S2，建立多条所述船舶之间的信息交互拓扑图；
步骤S3，每条所述船舶通过所述信息交互拓扑图与其他的船舶建立通信，以获取相邻的所述船舶的所述航向控制信息，并根据所述航向控制信息计算出与相邻所述船舶之间的相对航向及相对回转率；
步骤S4，基于所述船舶的所述相对航向和所述相对回转率形成一控制规则，根据所述控制规则控制所述船队中的跟随者跟踪所述船队中的领导者的航向。


2.根据权利要求1所述的船舶航向编队控制方法，其特征在于，于所述步骤S1中，所述航向控制信息包括所述船舶的航向及舵，通过下述公式表示为：



其中，
i＝0用于表示多条所述船舶中的领导者；
i＝1,…,N用于表示多条所述船舶中的跟随者；
ψi用于表示所述船舶的航向；

用于表示所述船舶的回转率；
δi用于表示所述船舶的控制输入舵角；
Ti,Ki分别用于表示所述船舶的操纵性参数；
di(t)用于表示所述船舶的外部干扰；

为所述回转率的非线性函数，其中αi，βi为常数。


3.根据权利要求1所述的船舶航向编队控制方法，其特征在于，于所述步骤S2中，所述信息交互拓扑图包括一个以所述领导者为根节点的最小生成树，用于记录一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：王传锐，张磊，曹峰，王丽芸，严传续，刘振冲，
申请(专利权)人：上海中船船舶设计技术国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31