一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，包括以下步骤：搭建水面无人船编队仿真平台；建立无人船地球坐标系模型；获取无人船姿态信息，输入速度估计模块，得到实际速度、实际艏摇角速度以及外部环境总扰动，并代入无人船地球坐标系模型；建立基于领导者协同控制的标称控制器，利用无人船地球坐标系模型，确定严格安全控制策略；获取环境障碍物的信息，建立无人船运动安全集；利用二次型优化对严格安全控制策略进行校正，求解最优速度和艏摇角速度，将校正后的严格安全控制策略应用于多无人船编队的包含操纵作业任务。与现有技术相比，本发明专利技术具有能够实现多种动态及静态障碍物实时避碰、控制精确度高等优点。等优点。等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法


[0001]本专利技术涉及水面无人船协同编队安全控制
，尤其是涉及一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法。

技术介绍

[0002]过去几十年，水上无人船编队控制有着广泛的应用，如海底地形得勘探与测绘、海面捕捞、海上搜索救援、海上巡逻等。相比于单一舰艇控制，水面无人船编队控制可以充分发挥空间的分布性和执行工作的并行性。高智能化水平的水面无人船编队有着更高的可靠性和容错能力，水面无人船编队控制由于有着广泛的应用前景和较高的理论难度而成为控制领域的热点问题。
[0003]由于海面风浪、湍流、海礁等多种外界因素影响，无人船编队跟踪、规划、避障等十分困难，多种外界干扰的存在令无人船的实际速度难以精确测量，这影响了控制器设计的精准性，同时多艇协同在安全方面也存在巨大挑战。之前的研究者在解决水面无人船编队避障问题时使用过如下方法：如设计领导者
‑
跟随者控制器，保证连通性和避免碰撞；设计模型预测控制策略，避免相邻的无人船发生碰撞；提出一种基于多次循环的分布式鲁棒控制策略，实现无人船的异质编队等。上述水面无人船编队避障的设计仅针对一种障碍物，然而在现实中大部分情况十分复杂，同时存在多种动态及静态障碍物，在避开障碍物的同时尽量减少跟踪性能的损失也是值得关注的。
[0004]CN114217603A公开了一种多无人船编队安全优化控制系统，包括获取无人船的航行信息和交互信息计算标称控制输入的编队跟踪控制模块，获取标称控制输入信息与交互信息计算安全优化的纵向速度控制输入和参考艏向角的安全避碰避障控制模块，计算艏向角控制输入的艏向角跟踪预测控制模块，仅通过收集无人船的控制输入信息和输出状态信息进行学习并更新模型信息，从而在复杂海洋环境下，可以提高无人船的抗扰动性与控制精确性，规避动静态障碍物和船与船的碰撞。但是，其并未考虑外部环境的扰动，对规避障碍的控制要求也不很严格，仍存在较大的碰撞风险。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了提供一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，提高控制的精确度和安全性。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，包括以下步骤：
[0008]搭建水面无人船编队仿真平台；
[0009]建立无人船地球坐标系模型；
[0010]获取无人船姿态信息，输入速度估计模块，得到实际速度、实际艏摇角速度以及外部环境总扰动，并代入无人船地球坐标系模型，所述姿态信息包括无人船的位置和航向；
[0011]建立基于领导者协同控制的标称控制器，利用无人船地球坐标系模型，确定严格
安全控制策略；
[0012]获取环境障碍物的信息，建立无人船运动安全集；
[0013]基于无人船运动安全集，利用二次型优化对严格安全控制策略进行校正，求解最优速度和艏摇角速度，将校正后的严格安全控制策略应用于多无人船编队的包含操纵作业任务。
[0014]所述无人船地球坐标系模型由地球坐标系和船体坐标系共同确定的动力学模型推导得到，其中，所述动力学模型为：
[0015][0016]其中，是第i艘无人船位置和航向，相应的p
i
＝[x
i
，y
i
]T
；；分别代表纵荡速度、横荡速度、艏摇角速度，是惯性质量矩阵，表示科里奥利矩阵，表示阻尼矩阵，表示未建模的流体动力学因素，表示自然有界控制输入，表示外界风浪产生的干扰，R(ψ
i
)为旋转矩阵满足：R(ψ
i
)＝diag{R
′
(ψ
i
)，1}，并且
[0017][0018][0019]推导得到无人船地球坐标系模型为：
[0020][0021]其中，是第i艘无人船在地球坐标系下的速度；p
i
为第i艘无人船在地球坐标系下的位置信息；为第i艘无人船在地球坐标系下的位置信息；是地球坐标系下标称控制输入，其中，地球坐标系下标称控制输入，其中，表示外部环境总扰动，其中，r
i
为第i艘无人船的艏摇角速度；为实数集。
[0022]所述速度估计模块为三阶状态观测器，分别估计无人船在地球坐标系下的实际速度q
i
，实际艏摇角速度r
i
以及外部环境总扰动ζ
ib
：
[0023][0024]其中，和三者为η
i
，θ
i
和ζ
ib
的估计值，是观测系数。
[0025]所述建立基于领导者协同控制的标称控制器包括设计针对多个欠驱动无人船的严格安全有限时间制导律，即严格安全控制策略，和针对多个虚拟领导者的有限时间路径更新律。
[0026]为实现领导者之间的协同，驱动每个领导者完成以下两个任务：
[0027]速度参数在有限时间内收敛于预设的速度值v
s
，使领导者保持预设的编队速度；
[0028]路径参数θ
k
收敛于预设的超级领导者协同参数Θ
k
，使所有领导者的相对位置时刻处于预配置的范围要求之内。
[0029]所述针对多个虚拟领导者的有限时间路径更新律具体为：
[0030]编队中每艘无人船追踪由对应领导者和相邻无人船所确定的凸包完成，同时第k个领导者按照预设定参数化路径p
kr
(θ
k
)移动，以实现路径引导下的协同控制，对于第k个领导者，其速度参数的更新律为：
[0031][0032]v
s
为预设的速度值，超级领导者以预设的速度v
s
航行，即k＝0时，χ
k
为协同误差，定义为：
[0033][0034]其中，为调谐增益，e
k
为路径误差，为路径误差，Θ
kl
为领导者之间的误差，「*」表示取整。χ
k
在有限时间内收敛。
[0035]所述设计多个欠驱动无人船的有限时间制导律包括以下步骤：
[0036]定义运动学跟踪误差使无人船满足艇与艇之间的位置关系以及艇与领导者之间的位置关系：
[0037][0038]其中，p
kr
(θ
k
)为领导者的位置信息；邻接矩阵a
ij
为布尔型无人船编队通讯系数，当第i艘可以接收第j艘无人船的通讯信息时，a
ij
＝1，当第i艘无法接收第j艘无人船的通讯信息时，a
ij
＝＝0，当a
ij
＝a
ji
，无人船的通讯图为无向图；为与第i艘无人船相邻的无人船集合，为与第i艘无人船相邻的领导者集合；
[0039]代入无人船地球坐标系模型和动力学参数得到运动学跟踪误差的导数：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建水面无人船编队仿真平台；建立无人船地球坐标系模型；获取无人船姿态信息，输入速度估计模块，得到实际速度、实际艏摇角速度以及外部环境总扰动，并代入无人船地球坐标系模型，所述姿态信息包括无人船的位置和航向；建立基于领导者协同控制的标称控制器，利用无人船地球坐标系模型，确定严格安全控制策略；获取环境障碍物的信息，建立无人船运动安全集；基于无人船运动安全集，利用二次型优化对严格安全控制策略进行校正，求解最优速度和艏摇角速度，将校正后的严格安全控制策略应用于多无人船编队的包含操纵作业任务。2.根据权利要求1所述的一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，所述无人船地球坐标系模型由地球坐标系和船体坐标系共同确定的动力学模型推导得到，其中，所述动力学模型为：其中，是第i艘无人船位置和航向，相应的p
i
＝[x
i
,y
i
]
T
；；分别代表纵荡速度、横荡速度、艏摇角速度，是惯性质量矩阵，表示科里奥利矩阵，表示阻尼矩阵，表示未建模的流体动力学因素，表示自然有界控制输入，表示外界风浪产生的干扰，R(ψ
i
)为旋转矩阵满足：R(ψ
i
)＝diag{R
′
(ψ
i
),1}，并且),1}，并且),1}，并且推导得到无人船地球坐标系模型为：其中，是第i艘无人船在地球坐标系下的速度；p
i
为第i艘无人船在地球坐标系下的位置信息；为第i艘无人船在地球坐标系下的位置信息；是地球坐标系下标称控制输入，其中，
表示外部环境总扰动，其中，r
i
为第i艘无人船的艏摇角速度；为实数集。3.根据权利要求1所述的一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，所述速度估计模块为三阶状态观测器，分别估计无人船在地球坐标系下的实际速度q
i
，实际艏摇角速度r
i
以及外部环境总扰动ζ
ib
：其中，和三者为η
i
，和ζ
ib
的估计值，的估计值，是观测系数。4.根据权利要求2所述的一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，所述建立基于领导者协同控制的标称控制器包括设计针对多个欠驱动无人船的严格安全有限时间制导律，即严格安全控制策略，和针对多个虚拟领导者的有限时间路径更新律。5.根据权利要求4所述的一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，为实现领导者之间的协同，驱动每个领导者完成以下两个任务：速度参数在有限时间内收敛于预设的速度值v
s
，使领导者保持预设的编队速度；路径参数θ
k
收敛于预设的超级领导者协同参数Θ
k
，使所有领导者的相对位置时刻处于预配置的范围要求之内。6.根据权利要求5所述的一种基于领导者协同的多无人船编队的严格安全控制方法，其特征在于，所述针对多个虚拟领导者的有限时间路径更新律具体为：编队中每艘无人船追踪由对应领导者和相邻无人船所确定的凸包完成，同时第k个领导者按照预设定参数化路径p
kr
(θ
k
)移动，以实现路径引导下的协同控制，对于第k个领导者，其速度参数的更新律为：v
s
为预设的速度值，超级领导者以预...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫东，郑建文，吴文涛，张义博，谢威，胡小波，李常伟，熊明磊，裴海龙，褚德英，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：