一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法技术

本发明专利技术提供一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法，包括：结合船舶避碰、避障和连接保护条件并考虑速度约束问题，构建存在死区和量化的无人水面船运动学和动力学模型；引入误差变量并结合李雅普诺夫函数，设计虚拟控制率和实际控制率；结合设计的虚拟控制率和实际控制率以及李雅普诺夫函数，对控制方案进行稳定性分析。本发明专利技术针对具有速度约束的无人船，考虑了一个能够在统一设计和分析条件下的多无人船速度约束编队避碰控制问题，能够保证受到执行器和传感器非线性特征影响的高速航行无人船在避碰避障过程中的安全性。全性。全性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法


[0001]本专利技术涉及无人船避碰
，具体而言，尤其涉及一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法。

技术介绍

[0002]在无人船运动过程中，执行器、传感器等部件往往存在一些非光滑非线性特性。因此，出于编队形的稳定性和准确性的考虑，对于无人水面船来说如果在控制设计模块阶段忽略传感器死区这类非光滑非线性特性，将降低的跟踪精度，对于执行器来说，在考虑有限通信带宽限制时，需要考虑降低数据传输速率。在无人船运动控制过程中，除了一些非光滑非线性特征，无人船的部分状态信号的约束是需要被考虑的，然而现有的控制方法无法实现通过一个约束方式同时实现有速度约束和无速度约束的两类不同需求；
[0003]当传感器存在死区时，将严重影响控制性能的准确性，关于无人船的存在死区问题的控制方法都集中在执行器上，而关于传感器死区问题现有的控制方法将不再适用。在无人船的数据传输信道中，量化机制是不可避免的，它能够在保证足够精度的情况下，实现较低的通信率。对于执行器来说在量化机制中，控制模块输出的原始信号先由量化器转换成离散序列，再传输给执行器，这种控制信号的变化可以有效地减少通信负担。在解决无人船内部部件问题的同时，在有障碍物的海洋环境中，船舶之间的避碰和与障碍物之间的避碰不可避免，出于安全考虑无人船的速度也需要受到限制，但是对于无人船的编队控制，在不改变控制结构的情况下，考虑有约束和无约束的统一分析和设计方法是十分可取的这能够在有效降低控制模块设计复杂性。
专利
技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，提供一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法。本专利技术针对具有速度约束的无人船，考虑了一个能够在统一设计和分析条件下的多无人船速度约束编队避碰控制问题，能够保证受到执行器和传感器非线性特征影响的高速航行无人船在避碰避障过程中的安全性。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法，包括：
[0007]S1、结合船舶避碰、避障和连接保护条件并考虑速度约束问题，构建存在死区和量化的无人水面船运动学和动力学模型；
[0008]S2、引入误差变量并结合李雅普诺夫函数，设计虚拟控制率和实际控制率；
[0009]S3、结合设计的虚拟控制率和实际控制率以及李雅普诺夫函数，对控制方案进行稳定性分析。
[0010]进一步地，所述步骤S1的具体实现过程如下：
[0011]S11、构建无人船存在量化与死区运动学和动力学模型，给出第i个模型，如下：
[0012][0013][0014]其中，表示第i个的质心位置无人船在地球固定参照系中，并且η
i
为无人船的输出；表示惯性矩阵；表示在机体固定框架内的浪涌速度、摇摆速度和偏航速度的矢量；表示无人船的非线性项；Q(τ
i
)＝[Q(τ
iu
),0,Q(τ
ir
)]T
表示要量化的控制信号，Q(τ
iu
)和Q(τ
ir
)为系统的输入，取量化值；τ
iw
(t)＝[τ
iwu
(t),τ
iwv
(t),τ
iwr
(t)]T
是由波浪和洋流引起的有界环境扰动；旋转矩阵定义为：
[0015][0016]S12、构建无人船存在的死区模型，在无人船存在量化与死区运动学和动力学模型中，η
i
＝[D
z
(x
i
),D
z
(y
i
),ψ
i
]T
是死区输出，则对称死区非线性用以下死区模型描述：
[0017][0018]其中，k
xi
＞0和b
xi
＞0表示死区的坡度和宽度；D
z
(y
i
)等于D
z
(x
i
)，将上式改写为：
[0019][0020]其中ε
i
是一个正常数，将x
i
对η
i
(1,1)求导得到：
[0021][0022]意味着和且0＜k
xi
(t)＜K
xi
；
[0023]S13、构建无人船的量化模型，在量化作用下的系统输入Q(τ
ik
)定义为：
[0024][0025]其中，k代表u或r，和χ
ik
＝[(1
‑
λ
ik
)/(1+λ
ik
)]，参数τ
minik
＞0,0＜χ
ik
＜1；Q(τ
ik
)属于集合参数τ
minik
＞0表示Q(τ
ik
)的死区范围；
[0026]S14、引入势函数，使得在编队控制过程中，无人船之间的避免碰撞和连接保护在控制设计中；
[0027]S15、构造由以下函数来限制的浪涌速度无人船：
[0028]将u
i
与约束边界g
i1
,g
i2
之间的距离，具体描述为：
[0029][0030][0031]其中，c
i1
,c
i2
为严格正时变光滑函数，为正整数，g
i1
(u
i
,c
i1
),g
i2
(u
i
,c
i2
)被假设为有界函数；
[0032]为了实现变量约束，构造如下函数：
[0033][0034]其中，有三个属性：
[0035]当对u
i
(t)没有约束要求时，则从c
i1
(t)＝c
i2
(t)＝+∞，g
i1
(u
i
,c
i1
)＝g
i2
(u
i
,c
i2
)＝1开始，即
[0036][0037]当且仅当u
i
＝0。
[0038]进一步地，所述步骤S14的具体实现过程如下：
[0039]S141、碰撞避免，在编队控制过程中，为了避免无人船之间的碰撞问题，引入如下
势函数：
[0040][0041]其中，p
ij
＝p
i
‑
p
j
＝[x
i
‑
x
j
,y
i
‑
y
j
]T
，表示避碰最小安全半径和检测范围，当p
ij
≤l
c
执行避碰操作，对p...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法，其特征在于，包括：S1、结合船舶避碰、避障和连接保护条件并考虑速度约束问题，构建存在死区和量化的无人水面船运动学和动力学模型；S2、引入误差变量并结合李雅普诺夫函数，设计虚拟控制率和实际控制率；S3、结合设计的虚拟控制率和实际控制率以及李雅普诺夫函数，对控制方案进行稳定性分析。2.根据权利要求1所述的考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现过程如下：S11、构建无人船存在量化与死区运动学和动力学模型，给出第i个模型，如下：S11、构建无人船存在量化与死区运动学和动力学模型，给出第i个模型，如下：其中，表示第i个的质心位置无人船在地球固定参照系中，并且η
i
为无人船的输出；表示惯性矩阵；表示在机体固定框架内的浪涌速度、摇摆速度和偏航速度的矢量；表示无人船的非线性项；Q(τ
i
)＝[Q(τ
iu
),0,Q(τ
ir
)]
T
表示要量化的控制信号，Q(τ
iu
)和Q(τ
ir
)为系统的输入，取量化值；τ
iw
(t)＝[τ
iwu
(t),τ
iwv
(t),τ
iwr
(t)]
T
是由波浪和洋流引起的有界环境扰动；旋转矩阵定义为：S12、构建无人船存在的死区模型，在无人船存在量化与死区运动学和动力学模型中，η
i
＝[D
z
(x
i
),D
z
(y
i
),ψ
i
]
T
是死区输出，则对称死区非线性用以下死区模型描述：其中，k
xi
＞0和b
xi
＞0表示死区的坡度和宽度；D
z
(y
i
)等于D
z
(x
i
)，将上式改写为：其中ε
i
是一个正常数，将x
i
对η
i
(1,1)求导得到：
意味着和且S13、构建无人船的量化模型，在量化作用下的系统输入Q(τ
ik
)定义为：其中，k代表u或r，和χ
ik
＝[(1
‑
λ
ik
)/(1+λ
ik
)]，参数τ
minik
＞0,0＜χ
ik
＜1；Q(τ
ik
)属于集合参数τ
minik
＞0表示Q(τ
ik
)的死区范围；S14、引入势函数，使得在编队控制过程中，无人船之间的避免碰撞和连接保护在控制设计中；S15、构造由以下函数来限制的浪涌速度无人船：将u
i
与约束边界g
i1
,g
i2
之间的距离，具体描述为：之间的距离，具体描述为：其中，c
i1
,c
i2
为严格正时变光滑函数，l为正整数，g
i1
(u
i
,c
i1
),g
i2
(u
i
,c
i2
)被假设为有界函数；为了实现变量约束，构造如下函数：其中，有三个属性：当对u
i
(t)没有约束要求时，则从c
i1
(t)＝c
i2
(t)＝+∞，g
i1
(u
i
,c
i1
)＝g
i2
(u
i
,c
i2
)＝1开始，即始，即
当且仅当u
i
＝0。3.根据权利要求2所述的考虑量化和死区的多无人船速度约束编队避碰控制方法，其特征在于，所述步骤S14的具体实现过程如下：S141、碰撞避免，在编队控制过程中，为了避免无人船之间的碰撞问题，引入如下势函数：其中，p
ij
＝p
i
‑
p
j
＝[x
i
‑
x
j
,y
i
‑
y
j
]
T
，表示避碰最小安全半径和检测范围，当p
ij
≤l
c
执行避碰操作，对p
ij
偏导得到：其中，02＝[0,0]
T
；S142、障碍回避，在编队控制过程中，为了避免无人船与静态障碍物的碰撞，引入如下势函数：其中，p
ik
＝p
i
‑
p
k
；l
o
＞l
o
＞0表示探测和躲避区域的半径，障碍物之间的距离被假设为大于对求导得到：S143、连接保护，为了保证无人船之间通信链路的连通性，使潜在的保持连通性的功能，则有：
其中，表示连接范围的最大值和最小值...

【专利技术属性】
技术研发人员：左毅，王未，李铁山，单麒赫，陈俊龙，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：