一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，包括对包含N个网络化海面无人舰艇的编队进行系统运动学和动力学建模，设定一个虚拟领导者，其余的被设定为跟随者；根据各个无人舰艇之间的通信情况，设计一个有向通讯脱拓扑图；构建网络化海面无人舰艇编队系统的跟踪误差，并针对系统设计分层控制框架；利用基于事件触发的分布式估计算法估计虚拟领导者的实时状态并传递给本地层的各个无人舰艇，利用基于预定时间滑模控制的本地控制算法调节各个无人舰艇在预定时间内形成所设计的编队队形。本发明专利技术更加贴合实际场景的应用，仅需要虚拟领导者具有有向生成树即可，可根据实际情况提前设定所需的收敛时间。可根据实际情况提前设定所需的收敛时间。可根据实际情况提前设定所需的收敛时间。

【技术实现步骤摘要】
一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法


[0001]本专利技术属于航海控制
，特别涉及一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]众所周知，地球大部分面积被海洋所覆盖，海洋不仅仅是多种生物赖以生存的环境，同时也拥有丰富的矿产、燃料等资源。近年来，海洋资源的开采和保护也引起了各个国家的重视，而依据传统的模式来维护海洋权益需要耗费大量的人力和物力。因此海面无人舰艇的技术发展对于海洋资源的开采、运输、保护等变得尤为重要。
[0003]海面无人舰艇技术最早起源于二战时期和冷战时期，主要用于执行诸如排雷、特种作战以及反特种作战等危险任务。近年来无人舰艇技术得到快速发展，凭借着其体积小、机动性强、应用成本低等众多优点在开采资源、运输、水下地图测量和绘制以及民用养殖的自动化喂养等方面发挥了重要的作用。当面对复杂和繁重任务时，单艘无人舰艇的能力面临着很大的考验，而网络化海面无人舰艇具有更大的灵活性和更强的工作能力，网络化无人舰艇已经成为了国内外重要的研究课题之一。起初针对该研究所提出的控制方法都是基于集中式控制开发的，这种控制方法过度的依赖中央控制器的控制和调度，对于一个无人舰艇编队一旦中央控制器遭到攻击或意外损坏，那么整个系统就会面临瘫痪的问题。基于分布式的控制方案通常具备更强的灵活性、鲁棒性，而基于分布式的控制方案依赖于各个节点的信息交互，当在通信资源有限的情况下，很难保证整个系统的正常运行。而事件触发控制的出现解决了这一问题，通过设置测量误差和触发阈值来进一步降低无人舰艇局部的通信负担和控制代价。此外，无人舰艇编队通常要执行不同的任务或者需要变换不同的队形，那么如果能够提前调整和确定编队的收敛时间无疑会给控制人员带来很大的便利性，同时能够使无人舰艇编队具备更强的适能力和更高的执行效率。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0005]S1、对包含N个网络化海面无人舰艇的编队进行系统运动学和动力学建模，在N个无人舰艇中设定一个虚拟领导者，其余的被设定为跟随者；
[0006]S2、根据各个无人舰艇之间的通信情况，设计一个有向通讯脱拓扑图来描述虚拟领导者的通讯情况；
[0007]S3、根据通讯拓扑图和所构建的运动学和动力学模型，构建网络化海面无人舰艇编队系统的跟踪误差，并针对所述系统设计分层控制框架，包括基于事件触发的分布式估计算法和基于预定时间滑模控制的本地控制算法；
[0008]S4、利用基于事件触发的分布式估计算法用来估计虚拟领导者的实时状态并传递给本地层的各个无人舰艇，再利用基于预定时间滑模控制的本地控制算法调节各个无人舰
艇在预定时间内形成所设计的编队队形。
[0009]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：
[0010](1)更加贴合实际场景的应用，即考虑了在通信和控制资源有限的情况下，能够保证系统的稳定和编队的正常运行。
[0011](2)各个舰艇之间的通讯用有向通讯拓扑图描述，相比于无向通讯拓扑图，其优点在于不需要各节点(无人舰艇)之间的双向通讯，仅需要根节点(虚拟领导者)具有有向生成树即可。
[0012](3)该技术方案实现了无人舰艇编队的预定时间跟踪控制，相比于普通的控制方案，该方案能够根据实际情况提前设定所需的收敛时间，为无人舰艇的多任务的执行带来很大的便利。
附图说明
[0013]图1是本专利技术实施例方法设计流程图；
[0014]图2是本专利技术实施例方法控制流程图；
[0015]图3是本专利技术实例中提供的无人舰艇的坐标构造图；
[0016]图4是本专利技术实例中无人舰艇之间的通讯拓扑图；
[0017]图5是本专利技术实施例中无人舰艇的估计位置、估计速度跟踪图；图中图5是本专利技术实施例中无人舰艇的估计位置、估计速度跟踪图；图中分别为无人舰艇i估计位置在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；分别为无人舰艇i估计速度ω
i
在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；
[0018]图6是本专利技术实施例中无人舰艇的估计位置、估计速度误差图；图中，无人舰艇i的估计位置误差估计速度误差估计速度误差分别为无人舰艇i的估计位置误差在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；分别为无人舰艇i估计速度误差在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；
[0019]图7是本专利技术实施例中无人舰艇的实际位置、实际速度跟踪图；图中，无人舰艇i的实际位置为无人舰艇i在地球坐标系的位置η
i
减去编队偏移量h
i
，η
i1
‑
h
i1
、η
i2
‑
h
i2
、η
i3
‑
h
i3
分别表示无人舰艇i实际位置在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；ω
i1
、ω
i2
、ω
i3
分别表示无人舰艇i实际速度ω
i
在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；
[0020]图8是本专利技术实施例中无人舰艇的实际位置、实际速度误差图；图中，无人舰艇的实际位置误差e
ηi
＝η
i
‑
η0，无人舰艇的实际速度误差e
ωi
＝ω
i
‑
ω0，e
ηi1
、e
ηi2
、e
ηi3
分别表示无人舰艇i实际位置误差e
ηi
在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；e
ωi1
、e
ωi2
、e
ωi3
分别表示无人舰艇i实际速度误差在x方向的分量、y方向的分量、旋转分量；
[0021]图9是本专利技术实施例中各无人舰艇的触发时刻图；横轴表示各无人舰艇事件触发的瞬间即其与邻居无人舰艇通信和控制器更新的瞬间；
[0022]图10是本专利技术实施例中无人舰艇的所形成的编队跟踪图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步的描述。
[0024]本专利技术提供一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，可以在有限通信和控制资源的网络化海面无人舰艇编队的预定时间跟踪方法，并且通过可以调整参数任意指定系统的稳定时间。
[0025]参考图1，图1是本专利技术实施所提出方法的流程图，具体包含以下步骤：
[0026]S1、对包含N个网络化海面无人舰艇的编队进行系统运动学和动力学建模，在N个无人舰艇中设定一个虚拟领导者，其余的被设定为跟随者。
[0027]S11、对于编队中第i个无人舰艇系统所需的运动学和动力学模型被构建如下：
[0028][0029][0030]其中：M
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对包含N个网络化海面无人舰艇的编队进行系统运动学和动力学建模，在N个无人舰艇中设定一个虚拟领导者，其余的设定为跟随者；S2、根据各个无人舰艇之间的通信情况，设计一个有向通讯脱拓扑图来描述虚拟领导者的通讯情况；S3、根据通讯拓扑图和所构建的运动学和动力学模型，构建网络化海面无人舰艇编队系统的跟踪误差，并针对所述系统设计分层控制框架，包括基于事件触发的分布式估计算法和基于预定时间滑模控制的本地控制算法；S4、利用基于事件触发的分布式估计算法用来估计虚拟领导者的实时状态并传递给本地层的各个无人舰艇，利用基于预定时间滑模控制的本地控制算法调节各个无人舰艇在预定时间内形成所设计的编队队形。2.根据权利要求1所述的一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，其特征在于，步骤S1具体为：S11、对于编队中第i个无人舰艇系统所需的运动学和动力学模型被构建如下：S11、对于编队中第i个无人舰艇系统所需的运动学和动力学模型被构建如下：其中：M
i
、C
i
、D
i
分别表示惯性矩阵、科里奥利和向心矩阵、流体动力阻尼矩阵，R()表示旋转变换矩阵，表示第i个无人舰艇系统在地球坐标系中的旋转角度，η
i
＝[X
i
,Y
i
,ψ
i
]
T
∈R3表示第i个无人舰艇系统在地球固定坐标X
E
O
E
Y
E
中的位置向量，表示η
i
的一阶导数，v
i
＝[v
xi
,v
yi
,r
i
]
T
∈R3表示第i个无人舰艇系统在整个编队系统自身坐标x
b
o
b
y
b
中的速度向量，v
xi
表示v
i
在x方向的分量，v
yi
表示v
i
在y方向的分量，r
i
表示v
i
的旋转分量，表示v
i
的一阶导数，τ
i
＝[τ
i1
,τ
i2
,τ
i3
]
T
∈R3和ρ
i
＝[ρ
i1
,ρ
i2
,ρ
i3
]
T
∈R3分别表示第i个无人舰艇系统的控制输入和外部扰动；τ
i1
表示控制输入τ
i
在x方向的分量，τ
i2
表示控制输入τ
i
在y方向的分量，τ
i3
表示控制输入τ
i
的旋转分量，ρ
i1
表示外部扰动ρ
i
在x方向的分量、ρ
i2
表示外部扰动ρ
i
在y方向的分量、ρ
i3
表示外部扰动ρ
i
的旋转分量；S12、根据坐标变换公式，将公式(1)转换成如下形式：其中：其中：为ω
i
的一阶导数；S13、虚拟领导者在地球固定坐标系中的模型被建立为：
其中，η0、ω0、τ0分别表示虚拟领导者在地球固定坐标系中的位置、速度和加速向量，表示η0的一阶导数，表示ω0的一阶导数。3.根据权利要求2所述的一种网络化海面无人舰艇编队预定时间跟踪控制方法，其特征在于，步骤S2具体为：S21、一个包含N个节点的有向通讯拓扑图其中其中分别为图的点集和边集，用表示图的邻接矩阵并且当(i,j)∈ε时有a
ij
≥0，表示无人舰艇i能够接收到无人舰艇j的信息，当时a
ij
＝0；L＝[l
ij
]∈R
N
×
N
表示图的拉普拉斯矩阵；其中，l
ij
表示拉普拉斯矩阵L中的元素，且该元素满足R
N
×
N
表示N
×
N维欧氏空间；S22、定义牵引矩阵B＝diag{b1,b...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛明峰，杨亚琦，邓畅畅，付景，陈谦，宋丽平，刘思胜，游澳归，曹岱，刘智伟，詹习生，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：