一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法技术

本发明专利技术提供一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法，包括：建立无人艇编队运动学动力学模型；对控制系统进行模型转换并确定控制目标；设计时变队形的抗饱和控制器；验证无人艇编队系统的有限时间稳定性和鲁棒性。通过设计时变编队控制器使得无人艇编队可随着时间改变队形以适应不同工况，并且通过设计控制器满足自身参数约束，实现了抗饱和的控制能力，相比于引入辅助系统等传统方法，简化了控制架构。在解决模型参数不确定的问题上，所设计的控制器具有优良的控制性能，可以保证跟踪误差最终收敛至零点，这是传统编队方法无法实现的。现的。现的。

【技术实现步骤摘要】
一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法


[0001]本专利技术设计一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法，属于无人艇编队控制领域。

技术介绍

[0002]近年来，随着人们对海洋的探索不断深入，海洋作业环境逐渐复杂，水面无人艇协同编队控制因为其系统可靠性高、任务完成率高和机动灵活等特点受到学术界的广泛关注。与单艇相比，编队系统在情报侦察、海上安全和海上救援等方面有着突出优势，因此研究无人艇编队控制有着极高的现实意义。
[0003]考虑到在无人艇编队执行任务时往往会需要根据实际海域进行队形转换，例如在狭窄水域时需要编队以直线形式通过；而在执行救援任务时需要编队以扇形展开便于搜索，但是当前关于可变形编队的无人艇编队方法的成果很少，因此迫切地需要一种可以实现时变队形的无人艇编队方法。
[0004]在编队控制中为了保持队形，编队成员中往往会出现执行器输出过大的情况，因此执行器饱和问题不可忽视，当前抗饱和控制通常会引用辅助系统或者限幅滤波器，导致整个控制架构复杂化，因此我们通过设计一种参数约束控制输出，保证控制器具备抗饱和能力。
[0005]为了解决不确定性问题，大多编队控制器会使用自适应律，估计器，亦或者智能系统去拟合不确定参数，然后通过李亚普诺夫方式去证明整个闭环系统的稳定性。值得注意的是，当前的大多数研究仅能够保证闭环系统的最终一致有界性，而无法保证各艇的跟踪误差收敛至零。换句话说，目前大多无人艇编队控制方法在使用时，均存在稳态误差，且由于整个控制架构的复杂性，导致其难以额外引入其他辅助系统去消去该稳态误差。考虑至此，我们基于homogeneous定理设计编队控制器，不仅能保证闭环系统的有限时间收敛特性，且能使得跟踪误差最终收敛至零点，而非一个残差集。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了为了实现一种可时变变形的无人艇编队方法，通过设计时变编队控制器使得无人艇编队可随着时间改变队形以适应不同工况，并且通过设计控制器满足自身参数约束，实现了抗饱和的控制能力，相比于引入辅助系统等传统方法，简化了控制架构。在解决模型参数不确定的问题上，所设计的控制器具有优良的控制性能，可以保证跟踪误差最终收敛至零点，这是传统编队方法无法实现的。
[0007]本专利技术的目的是这样实现的：包括以下步骤：
[0008]步骤1：建立无人艇编队运动学动力学模型；
[0009]步骤2：对控制系统进行模型转换并确定控制目标；
[0010]步骤3：设计时变队形的抗饱和控制器；
[0011]步骤4：验证无人艇编队系统的有限时间稳定性和鲁棒性。
[0012]进一步地，在步骤1中建立无人艇编队运动学和动力学模型，如下所示：
[0013]首先每艘单艇的运动学模型如下所示：
[0014][0015]其中η
i
＝[x
i
,y
i
,ψ
i
]T
表示无人艇在地球坐标系下的位置信息和偏航角；θ
i
＝[p
i
,v
i
,r
i
]T
表示无人艇相对于本体坐标系下的线速度和角速度；J
i
(ψ
i
)是坐标转换矩阵，定义如下：
[0016][0017]定义每艘单艇的动力学模型如下所示：
[0018][0019]其中代表惯性矩阵；表示科里奥利力和向心力的集合；表示阻尼矩阵；和是可知的名义参数项；ΔM
i
，ΔC
i
(θ
i
)和ΔD
i
(θ
i
)是未知的参数项。代表外界干扰；E
i
＝diag{e1,e2,e3}代表执行器效率矩阵； w
i
＝[w
i1
,w
i2
,w
i3
]T
表示命令控制信号；sat(w
i
)＝[sat(w
i1
),sat(w
i2
),sat(w
i3
)]T
代表控制实际控制信号， sat(
·
)定义如下：
[0020][0021]其中代表每艘无人艇执行器信号的可接受的最大值。
[0022]进一步地，在步骤2中对控制系统进行转换并确定控制目标，如下所示：
[0023]将系统模型改写为欧拉
‑
拉格朗日形式如下：
[0024][0025]其中是不确定项的集合，表示饱和约束下转换后的控制输入，和的定义如下：
[0026][0027][0028][0029]定义时变参数如下：
[0030][0031][0032]其中作为时变参数可以实现无人艇编队进行队形转换。
[0033]定义辅助变量为得到轨迹跟踪误差并确定控制目标如下：
[0034][0035]进一步地，在步骤3中设计有限时间抗饱和控制器如下：
[0036]选取积分滑模为：
[0037][0038]其中k
i
和αi,i＝1,2是正参数并且α1∈(0
,
1)，α2＝(1+α1)
‑12α1。
[0039]通过假设无人艇编队中单艇速度θ
i
满足有界条件其中为已知参数；并且外部干扰W
i
满足其中为未知参数；同时期望轨迹满足和时变参数满足设计有限时间抗饱和控制器如下：
[0040][0041][0042][0043][0044]其中是为使系统稳定性设计的控制信号；和分别是为了克服不确定项和执行器容错误差而设计的辅助控制信号，其中k
i
,i＝1,2,...,5为正控制参数，满足不等关系使得制器输出的控制信号受到参数约束，即实现自身抗饱和。
[0045]设计自适应律如下：
[0046][0047][0048]其中ρ和l是正参数；表示为其中e
i,min
表示无人艇编队中第i艘无人艇的执行器有效矩阵E
i
的最小特征值。
[0049]进一步地，在步骤4中验证了无人艇编队系统的稳定性和鲁棒性：
[0050]为了方便接下来的证明我们通过引入如下定义和定理：
[0051]定义：对于函数在原点附近的开区间U0满足连续且满足则称f(ξ)为齐次函数并且称系统为齐次系统。
[0052]定理：考虑如下系统：
[0053][0054]其中f(ξ)为连续齐次矢量并且定义为
当ξ＝0 为系统的渐近稳定平衡点且满足则可以得出上述系统可以在有限时间内全局收敛至ξ＝0。
[0055]通过选取通过选取和设计李雅普诺夫函数如下：
[0056][0057]最终证明系统是全局有限时间收敛的。
[0058]通过所设计的滑模面可以得出在经过有限时间后满足下式：
[0059][0060]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：建立无人艇编队运动学动力学模型；步骤2：对控制系统进行模型转换并确定控制目标；步骤3：设计时变队形的抗饱和控制器；步骤4：验证无人艇编队系统的有限时间稳定性和鲁棒性。2.根据权利要求1所述的一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法，其特征在于，在步骤1中建立无人艇编队运动学和动力学模型具体包括：首先每艘单艇的运动学模型如下所示：其中η
i
＝[x
i
,y
i
,ψ
i
]
T
表示无人艇在地球坐标系下的位置信息和偏航角；θ
i
＝[p
i
,v
i
,r
i
]
T
表示无人艇相对于本体坐标系下的线速度和角速度；J
i
(ψ
i
)是坐标转换矩阵，定义如下：定义每艘单艇的动力学模型如下所示：其中代表惯性矩阵；表示科里奥利力和向心力的集合；表示阻尼矩阵；表示阻尼矩阵；和是可知的名义参数项；ΔM
i
，ΔC
i
(θ
i
)和ΔD
i
(θ
i
)是未知的参数项；代表外界干扰；E
i
＝diag{e1,e2,e3}代表执行器效率矩阵；w
i
＝[w
i1
,w
i2
,w
i3
]
T
表示命令控制信号；sat(w
i
)＝[sat(w
i1
),sat(w
i2
),sat(w
i3
)]
T
代表控制实际控制信号，sat(
·
)定义如下：其中代表每艘无人艇执行器信号的可接受的最大值。3.根据权利要求1所述的一种参数约束下的抗饱和时变队形协同控制方法，其特征在于，在步骤2中对控制系统进行转换并确定控制目标具体包括：将系统模型改写为欧拉
‑
拉格朗日形式如下：其中：是不确定项的集...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巍凯，黄兵，张磊，苏玉民，朱骋，周彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：