一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，建立无人船运动动力学模型，并建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器，用于进行在线观测与补偿；进而构建能使多无人船在固定时间形成稳定编队的反步控制方法，通过反步技术构建跟踪子级系统对应领航者无人船的控制器，用于控制领航者无人船跟踪虚拟领航者无人船，以及构建编队子级系统对应各跟随者无人船的控制器，用于控制各跟随者无人船编队跟踪领航者无人船，所设计两控制器具有较良好的收敛性，可使整个编队系统稳定并且达到预期性能要求；并在设计中引入预设性能控制技术，确保编队系统在存在外界干扰的情况下使无人船之间依然保持较好的相对位置偏差，使整体编队构型稳定。构型稳定。构型稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法


[0001]本专利技术涉及一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，属于移动机器人编队协同控制


技术介绍

[0002]为满足国家海洋战略需求，各种新形势下的无人船应用需求越来越大。伴随控制领域中无人船控制技术的迅猛发展，单一无人船控制技术日臻完善，其应用也较为广泛，能够在复杂水况和恶劣环境下，代替人类执行危险、枯燥、复杂多变的工作，例如海岸巡航、战略侦查、水域排雷、海上救援、物资运输、海域岛礁测绘和水质监测等。由于水面环境的复杂性以及作业任务难度大，单个无人船很难执行复杂的作业任务，而多无人船通过协同编队能弥补单一无人船作业误差大、任务完成相对质量低等缺陷，并且多无人船编队作业面积覆盖范围大、操作空间广、执行效率高。在面对复杂水况环境时，单一的无人船无论是控制操作性还是作业有效性都显得不尽人意，为弥补单一无人船的性能劣势，对更具操作空间和更高效作业能力的多无人船编队控制系统的研究迫在眉睫，也更具研究价值。
[0003]传统多无人船编队控制方法尚存一些技术问题：多无人船系统在编队过程中，不可避免受到各种不确定干扰的影响，例如风浪对船体的冲撞，航行水位的频繁变化，天气和气候的转变等都会使编队效果恶化，甚至导致编队系统不能正常运行，给多无人船编队系统的稳定性带来诸多挑战。事实上，无人船受到的这些动态不确定性干扰很难被传感器直接测量。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，具有较良好的收敛性，可使整个编队系统稳定、并且达到预期性能要求。
[0005]本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，基于预设虚拟领航者无人船期望轨迹，实时执行如下步骤，实现包含1个领航者无人船和各跟随者无人船的分布式编队的协同控制；
[0006]步骤A.针对虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船，建立惯性坐标系下分别对应的运动动力学模型，然后进入步骤B；
[0007]步骤B.根据虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器，用于针对无人船在编队过程中所受不确定动态干扰导致的系统稳定性欠佳问题，进行在线观测与补偿，然后进入步骤C；
[0008]步骤C.基于虚拟领航者无人船与领航者无人船所对应的跟踪子级系统，根据预设虚拟领航者无人船、领航者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建跟踪子级系统对应领航者无人船的控制器，用于控制领航者无人船跟踪虚拟领航者无人船，然后进入步骤D；
[0009]步骤D.基于领航者无人船、以及各跟随者无人船所对应的编队子级系统，根据领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建编队子级系统对应各跟随者无人船的控制器，用于控制各跟随者无人船编队跟踪领航者无人船。
[0010]本专利技术所述一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0011]本专利技术所设计一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，建立无人船运动动力学模型，并建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器，用于进行在线观测与补偿；进而构建能使多无人船在固定时间形成稳定编队的反步控制方法，通过反步技术构建跟踪子级系统对应领航者无人船的控制器，用于控制领航者无人船跟踪虚拟领航者无人船，以及构建编队子级系统对应各跟随者无人船的控制器，用于控制各跟随者无人船编队跟踪领航者无人船，所设计两控制器具有较良好的收敛性，可使整个编队系统稳定并且达到预期性能要求；并在设计中引入预设性能控制技术，确保编队系统在存在外界干扰的情况下使无人船之间依然保持较好的相对位置偏差，使整体编队构型稳定。
附图说明
[0012]图1是本专利技术所设计基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法的流程图；
[0013]图2是惯性坐标系下多无人船分布式编队运动轨迹图示意图；
[0014]图3是各无人船位置状态输出曲线示意图；
[0015]图4是各无人船速度状态输出曲线示意图；
[0016]图5是领航者无人船前向速度和偏航角速度干扰预估示意图；
[0017]图6是跟随者无人船1前向速度和偏航角速度干扰预估示意图；
[0018]图7是跟随者无人船2前向速度和偏航角速度干扰预估示意图；
[0019]图8是跟随者无人船2在X轴方向上的编队跟踪误差示意图；
[0020]图9是跟随者无人船2在Y轴方向上的编队跟踪误差示意图；
[0021]图10是跟随者无人船2的航向角编队跟踪误差示意图。
具体实施方式
[0022]下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0023]本专利技术设计了一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，基于预设虚拟领航者无人船期望轨迹，如图1所示，实时执行如下步骤，实现包含1个领航者无人船和各跟随者无人船的分布式编队的协同控制。
[0024]步骤A.针对虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船，建立惯性坐标系下分别对应的运动动力学模型，然后进入步骤B。
[0025]上述步骤A在具体设计实施中，针对领航者无人船、以及各跟随者无人船，按如下操作，建立分别对应的运动动力学模型。
[0026]基于分布式编队中无人船的数量n+1，以及0≤i≤n。
[0027]当1≤i≤n对应各跟随者无人船，首先针对各跟随者无人船，建立惯性坐标系下跟
随者无人船运动学模型如下：
[0028][0029]η
i
＝[x
i
,y
i
,ψ
i
]T
，η
i
表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置矢量，(x
i
,y
i
)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置坐标，ψ
i
∈[0,2π]表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的航向角；v
i
＝[u
i
,v
i
,r
i
]T
，v
i
表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的速度矢量，u
i
、v
i
、r
i
分别表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的前向速度、横向速度、偏航角速度；R(ψ
i
)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵，并且R
T
(ψ
i
)R(ψ
i
)＝I，I表示单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：基于预设虚拟领航者无人船期望轨迹，实时执行如下步骤，实现包含1个领航者无人船和各跟随者无人船的分布式编队的协同控制；步骤A.针对虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船，建立惯性坐标系下分别对应的运动动力学模型，然后进入步骤B；步骤B.根据虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器，用于针对无人船在编队过程中所受不确定动态干扰导致的系统稳定性欠佳问题，进行在线观测与补偿，然后进入步骤C；步骤C.基于虚拟领航者无人船与领航者无人船所对应的跟踪子级系统，根据预设虚拟领航者无人船、领航者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建跟踪子级系统对应领航者无人船的控制器，用于控制领航者无人船跟踪虚拟领航者无人船，然后进入步骤D；步骤D.基于领航者无人船、以及各跟随者无人船所对应的编队子级系统，根据领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，构建编队子级系统对应各跟随者无人船的控制器，用于控制各跟随者无人船编队跟踪领航者无人船。2.根据权利要求1所述一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：所述步骤A中，针对领航者无人船、以及各跟随者无人船，按如下操作，建立分别对应的运动动力学模型；基于分布式编队中无人船的数量n+1，以及0≤i≤n；当1≤i≤n对应各跟随者无人船，首先针对各跟随者无人船，建立惯性坐标系下跟随者无人船运动学模型如下：η
i
＝[x
i
,y
i
,ψ
i
]
T
，η
i
表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置矢量，(x
i
,y
i
)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的位置坐标，ψ
i
∈[0,2π]表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的航向角；v
i
＝[u
i
,v
i
,r
i
]
T
，v
i
表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的速度矢量，u
i
、v
i
、r
i
分别表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中的前向速度、横向速度、偏航角速度；R(ψ
i
)表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵，并且R
T
(ψ
i
)R(ψ
i
)＝I，I表示单位矩阵，||R(ψ
i
)||＝1，||R(ψ
i
)||表示变换矩阵R(ψ
i
)的范数，R
T
(ψ
i
)S(r
i
)R(ψ
i
)＝R(ψ
i
)S(r
i
)R
T
(ψ
i
)＝S(r
i
)，S(r
i
)表示一个反对称矩阵，接着针对各跟随者无人船，建立惯性坐标系下跟随者无人船动力学模型如下：
M
i
表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的惯性质量矩阵，m
i,22
表示M
i
中第2行第2列的元素；中第2行第2列的元素；C
i
表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的科氏力矩阵；D
i
表示第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的水动力阻尼参量，即第i个跟随者无人船在惯性坐标系中的水动力阻尼参量矩阵，D
i,11
、D
i,22
、D
i,23
、D
i,33
、D
i,32
均表示无人船的物理参数、且均大于0；τ
i
＝[τ
i,1
0τ
i,3
]
T
，τ
i
表示第i个跟随者无人船的控制输入矩阵，τ
i,1
表示第i个跟随者无人船的前进控制量，τ
i,3
表示第i个跟随者无人船的转向控制量；d
i
＝[d
i,u
d
i,v
d
i,r
]
T
，d
i
表示第i个跟随者无人船运动过程中受到的集总干扰矩阵，d
i,u
表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应前向运动过程受到的干扰，d
i,v
表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应横向运动过程受到的干扰，d
i,r
表示第i个跟随者无人船在船体坐标系中对应偏航角运动过程受到的干扰；即基于惯性坐标系下跟随者无人船运动学模型、跟随者无人船动力学模型，构成跟随者无人船对应的运动动力学模型；然后当i＝0对应领航者无人船，建立跟踪子级系统中惯性坐标系下领航者无人船所对应运动动力学模型如下：η0＝[x0，y0，ψ0]
T
，η0表示领航者无人船在惯性坐标系中的位置矢量，(x0,y0)表示领航者无人船在惯性坐标系中的位置坐标，ψ0∈[0,2π]表示领航者无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即领航者无人船在惯性坐标系中的航向角；v0＝[u0，v0，r0]
T
，v0表示领航者无人船在船体坐标系中的速度矢量，u0、v0、r0分别表示领航者无人船在船体坐标系中的前向速度、横向速度、偏航角速度；M0表示领航者无人船在惯性坐标系中的惯性质量矩阵；R0表示领航者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵；τ0＝[τ
0,1 0 τ
0,3
]
T
，τ0表示领航者无人船的控制输入矩阵，τ
0,1
表示领航者无人船的前进控制量，τ
0,3
表示领航者无人船的转向控制量；d0＝[d
0,u d
0,v d
0,r
]
T
，d0表示领航者无人船运动过程中受到的集总干扰矩阵，d
0,u
表示领航者无人船在船体坐标系中对应前向运动过程受到的干扰，d
0,v
表示领航者无人船在船体坐标系中对应横向运动过程受到的干扰，d
0,r
表示领航者无人船在船体坐标系中对应偏航角运动过程受到的干扰。3.根据权利要求1所述一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：所述步骤A中，按如下操作，建立预设虚拟领航者无人船对应的运动动力学模
型；建立跟踪子级系统中惯性坐标系下虚拟领航者无人船期望轨迹(η
d
,v
d
)所对应运动动力学模型如下：η
d
＝[x
d
，y
d
，ψ
d
]
T
，η
d
表示虚拟领航者无人船在惯性坐标系中期望轨迹的位置矢量，(x
d
,y
d
)表示虚拟领航者无人船在惯性坐标系中期望轨迹的位置坐标，ψ
d
∈[0,2π]表示虚拟领航者无人船在惯性坐标系中期望轨迹与X轴的夹角，即虚拟领航者无人船在惯性坐标系中期望轨迹的航向角；v
d
＝[u
d
，v
d
，r
d
]
T
，v
d
表示虚拟领航者无人船在船体坐标系中期望轨迹的速度矢量，u
d
、v
d
、r
d
表示虚拟领航者无人船在船体坐标系中期望轨迹的前向速度、横向速度、偏航角速度；M
d
表示虚拟领航者无人船在惯性坐标系中的惯性质量矩阵；R
d
表示虚拟领航者无人船在惯性坐标系和船体坐标系之间的变换矩阵；τ
d
＝[τ
d,1
0τ
d,3
]
T
，τ
d
表示虚拟领航者无人船的控制输入矩阵，τ
d,1
和τ
d,3
分别表示领航者无人船的前进控制量和转向控制量。4.根据权利要求1所述一种基于反步技术的多无人船固定时间分布式编队控制方法，其特征在于：所述步骤B中，根据预设虚拟领航者无人船、领航者无人船、以及各跟随者无人船分别在惯性坐标系下的运动动力学模型，结合分布式编队中无人船的数量n+1，0≤i≤n，以及i＝0对应领航者无人船、1≤i≤n对应各跟随者无人船，按如下操作，建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别所对应固定时间干扰观测器；建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别对应前向速度通道的固定时间干扰观测器如下：器如下：式中，u
i
表示第i个无人船在船体坐标系中的前向速度，表示u
i
的估计值；d
i,u
表示第i个无人船在船体坐标系中对应前向运动过程受到的干扰，为d
i,u
的估计值，τ
i,1
表示第i个无人船的前进控制量，为u
i
的估计值误差，K
i,u1
、K
i,u2
、K
i,u3
、α
i,u1
、α
i,u2
均为第i个无人船在惯性坐标系中对应前向运动过程的预设可调参数，且K
i,u1
＞0、K
i,u2
＞0、K
i,u3
＞0，α
i,u1
＞1，0＜α
i,u2
＜1，sign为符号函数；并建立领航者无人船、以及各跟随者无人船分别对应偏航角速度通道的固定时间干扰观测器如下：观测器如下：观测器如下：ψ
i
∈[0,2π]表示第i个无人船在惯性坐标系中与X轴的夹角，即第i个无人船在惯性坐标系中的航向角，为r
i
的估计值；d
i,r
表示第i个无人船在在船体坐标系中对应偏航角运动过程受到的干扰，为d
i,r<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志斌，孙山林，韦成业，
申请(专利权)人：桂林航天工业学院，
类型：发明
国别省市：