基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法，通过设计切换动态事件触发策略，引入动态参数和切换策略，动态调整和切换事件触发策略，有效降低无人艇控制系统对网络带宽的占用，延长执行器寿命，同时，引入哈达玛积运算，针对各个执行器分别应用切换动态事件触发策略，避免集中式事件触发策略的缺点，进一步降低执行器的更新频率，最后，针对切换动态事件触发策略导致的执行器偏差，通过利用自适应控制技术和滑模算法对执行器偏差进行补偿；优点是本发明专利技术的设计方法得到的无人艇控制器在控制过程中能够大幅度降低执行器动作频率，从而大大减少通信资源浪费和提高执行器寿命，通信资源节约和执行器寿命延长均比较充分。长均比较充分。长均比较充分。

【技术实现步骤摘要】
基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法


[0001]本专利技术涉及无人艇控制器设计方法，尤其是涉及一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法。

技术介绍

[0002]随着海洋经济的快速发展，无人艇作为一类自动化和智能化的船舶，在航运、军事、巡逻搜救、地质勘测等领域具有广泛的应用前景。无人艇控制系统作为无人艇的核心模块，控制无人艇的运行。无人艇控制系统主要包括控制器、执行器和传感器，传感器实时检测无人艇的状态数据发送给控制器，控制器基于传感器检测的无人艇的状态数据生成对应的控制指令去控制执行器实行具体的运行。
[0003]传统的无人艇控制器设计方法大都基于周期性的更新策略，执行器动作频繁，由此导致通信资源占用较大和执行器寿命降低问题。目前，事件触发策略已经得到广泛研究，并且逐渐被应用于无人艇的控制器设计方法。基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法，主要是根据无人艇状态智能决策控制器的更新时间点，由此在保证控制性能的前提下降低通信资源占用和延长执行器寿命。
[0004]现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法中涉及到的事件触发参数是不变的，且事件触发策略是集中式的。事件触发参数不变将会导致事件触发策略存在较大的保守性，事件触发策略是集中式又会导致多执行器系统中部分执行器被动更新。如申请号为CN202210338174.3的中国专利申请中公开的无人艇集群分布式安全控制方法和申请号为CN202210410554.3的中国专利申请中公开的基于动态事件触发的无人艇无模型控制方法。由此，现有的基于事件触发策略的无人艇控制器设计方法在事件触发策略对通信资源节约和执行器寿命延长不充分，有存在较大的改进空间。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种对通信资源节约和执行器寿命延长比较充分的基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤(1)：根据牛顿
‑
欧拉法建立如下式(1)所示的无人艇三自由度运动方程：
[0008][0009]其中，M＝diag{m
11
,m
22
,m
33
}是惯性参数矩阵，m
11
是前进方向惯性参数，m
22
是横摇方向惯性参数，m
33
是旋转方向惯性参数，diag{m
11
,m
22
,m
33
}是以m
11
,m
22
,m
33
为对角线元素的对角矩阵，D＝diag{d
11
,d
22
,d
33
}是水动力阻尼参数矩阵，d
11
是前进方向的水动力阻尼参数，d
22
是横摇方向的水动力阻尼参数，d
33
是旋转方向的水动力阻尼参数，diag{d
11
,d
22
,d
33
}是以d
11
,d
22
,d
33
为对角线元素的对角矩阵，η＝[χ y ψ]T
是无人艇在地面坐标系下的位置向
量，χ是无人艇前进方向的坐标，y是无人艇横摇方向的坐标，ψ是无人艇旋转方向的坐标，表示的η的导数，τ＝[τ
1 0 τ3]T
，f(t)表示外部干扰力，t表示当前控制时刻，θ＝[μ v r]T
是无人艇在自身坐标系下的速度分量，μ是无人艇前进方向速度，v是无人艇横摇方向速度，r是无人艇角速度，表示θ的导数，τ＝[τ
1 0 τ3]T
是控制向量，τ1是前进力，τ3是横摇力，C(θ)是科里奥利力和向心力矩阵，J(ψ)是坐标系转换旋转矩阵，上角标T表示矩阵的转置，C(θ)和J(ψ)分别采用式(2)和式(3)表示为：
[0010][0011][0012]步骤2、展开无人艇三自由度运动方程，得到式(4)：
[0013][0014]其中，表示μ的导数，表示v的导数，表示r的导数，表示χ的导数，表示y的导数，表示ψ的导数；
[0015]步骤3、定义如式(4)所示坐标映射：
[0016][0017]其中，s1,s2,s3是设定的三个中间变量，整理式(4)和式(5)得到式(6)：
[0018][0019]其中，是s1的导数，是s2的导数，是s3的导数；
[0020]步骤4、定义中间向量x(t)＝[x1x2x3x4x5x6]T
＝[μv r s1s2s3]T
，控制器输出的控制
参数记为u(t)，u(t)＝[u1u2]T
＝[τ1τ3]T
，代入并整理公式(6)可以得到当前控制时刻t无人艇的状态空间表达式模型如式(7)所示：
[0021][0022]其中，C是输出矩阵，是x(t)的导数，ξ(t)是状态空间表达式模型的输出，系数A0和B0采用式(8)表示：
[0023][0024]步骤5、为了航行安全，无人艇横摇方向速度和角速度存在上界，将无人艇横摇方向速度上界表示为角速度上界表示为设定中间参数x2(t)和x3(t)，当时，设计如下模糊规则：
[0025][0026]规则1：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为
[0027][0028]规则2：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：
[0029][0030]规则3：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：
[0031][0032]规则4：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：
[0033][0034]其中，M1(x2(t)),M2(x2(t)),N1(x3(t)),N2(x3(t))为模糊规则的四个中间变量，系数A1和B1、A2和B2、A3和B3、A4和B4采用式(14)至(16)表示：
[0035][0036][0037][0038][0039]步骤6、计算模糊规则的隶属度函数：
[0040][0041]其中，h1(z(t))是规则1的隶属度函数，h2(z(t))是规则2的隶属度函数，h3(z(t))是规则3的隶属度函数，h4(z(t))是规则4的隶属度函数，z1(t)＝x2(t),z2(t)＝x3(t)；
[0042]步骤7、基于模糊规则和其隶属度函数得到无人艇的模型如下：
[0043][0044]其中，B＝B1＝B2＝B3＝B4,ε(t)是模糊逼近误差，表示为ε(t)＝MF(t)Nx(t)，其中M和N为已知的约束矩阵，根据模糊规则确定，F(t)为未知的时变参数，满足条件F
T
(t)F(t)≤1；
[0045]步骤8、求解控制器参数，设定参数G，满足GB＞0；将λ1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于切换动态事件触发策略的无人艇控制器设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤(1)：根据牛顿
‑
欧拉法建立如下式(1)所示的无人艇三自由度运动方程：其中，M＝diag{m
11
,m
22
,m
33
}是惯性参数矩阵，m
11
是前进方向惯性参数，m
22
是横摇方向惯性参数，m
33
是旋转方向惯性参数，diag{m
11
,m
22
,m
33
}是以m
11
,m
22
,m
33
为对角线元素的对角矩阵，D＝diag{d
11
,d
22
,d
33
}是水动力阻尼参数矩阵，d
11
是前进方向的水动力阻尼参数，d
22
是横摇方向的水动力阻尼参数，d
33
是旋转方向的水动力阻尼参数，diag{d
11
,d
22
,d
33
}是以d
11
,d
22
,d
33
为对角线元素的对角矩阵，η＝[χ y ψ]
T
是无人艇在地面坐标系下的位置向量，χ是无人艇前进方向的坐标，y是无人艇横摇方向的坐标，ψ是无人艇旋转方向的坐标，表示的η的导数，τ＝[τ
1 0 τ3]
T
，f(t)表示外部干扰力，t表示当前控制时刻，θ＝[μ v r]
T
是无人艇在自身坐标系下的速度分量，μ是无人艇前进方向速度，v是无人艇横摇方向速度，r是无人艇角速度，表示θ的导数，τ＝[τ
1 0 τ3]
T
是控制向量，τ1是前进力，τ3是横摇力，C(θ)是科里奥利力和向心力矩阵，J(ψ)是坐标系转换旋转矩阵，上角标T表示矩阵的转置，C(θ)和J(ψ)分别采用式(2)和式(3)表示为：别采用式(2)和式(3)表示为：步骤2、展开无人艇三自由度运动方程，得到式(4)：其中，表示μ的导数，表示v的导数，表示r的导数，表示χ的导数，表示y的导数，表示ψ的导数；步骤3、定义如式(4)所示坐标映射：其中，s1,s2,s3是设定的三个中间变量，整理式(4)和式(5)得到式(6)：
其中，是s1的导数，是s2的导数，是s3的导数；步骤4、定义中间向量x(t)＝[x1x2x3x4x5x6]
T
＝[μvrs1s2s3]
T
，控制器输出的控制参数记为u(t)，u(t)＝[u1u2]
T
＝[τ1τ3]
T
，代入并整理公式(6)可以得到当前控制时刻t无人艇的状态空间表达式模型如式(7)所示：其中，C是输出矩阵，是x(t)的导数，ξ(t)是状态空间表达式模型的输出，系数A0和B0采用式(8)表示：步骤5、为了航行安全，无人艇横摇方向速度和角速度存在上界，将无人艇横摇方向速度上界表示为角速度上界表示为设定中间参数x2(t)和x3(t)，当时，设计如下模糊规则：规则1：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为规则2：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：规则3：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：
规则4：当时，式(7)所示的无人艇的状态空间表达式模型简化为：其中，M1(x2(t)),M2(x2(t)),N1(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐成永，何杭锋，陈一帆，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：