【技术实现步骤摘要】
一种带有避碰策略的异构UAV
‑
USVs编队系统的协同控制方法
[0001]本专利技术涉及人工智能
，具体而言，尤其涉及一种带有避碰策略的异构
UAV
‑
USVs
编队系统的协同控制方法
。
技术介绍
[0002]随着智慧航海技术的快速发展，水面无人艇受到广泛关注
。
这一智能化且以遥控或是自主方式航行的无人海洋运载平台，面对复杂的海洋环境，在进行海洋作业的同时，可以兼顾安全性和经济性，颇具研究价值
。
[0003]近年来，无人系统应用广泛，在工业发展中发挥着越来越重要的作用，如监控
、
智能交通
、
海洋污染物监测
、
海上救援等
。
其主要由无人机
、
无人车
、
水面无人舰和自主水下航行器
。
虽然每个无人系统都具有处理任务的能力，但由于其传感器的限制，难以处理更复杂的任务
。
因此，与单一无人系统相比，由多无人系统组成的同质或异构系统更有利于完成更复杂的任务
。
[0004]USV
因其装载能力大
、
便捷性高
、
任务成本低等优点在海洋工程中得到广泛应用
。
然而，由于无人潜航器的观测范围较小，在海上搜救任务中很难找到救援目标
。
幸运的是，将无人机集成到
USV
系统中，形成异构的...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种带有避碰策略的异构
UAV
‑
USVs
编队系统的协同控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
利用坐标转换方法对系统进行解耦处理，在
XY
平面上构建一种统一的
UAV
和
USV
动力学模型；
S2、
采用图论方法与领导
‑
跟随法相结合的编队结构框架，设计基于人工势场法的
USVs
系统的编队避碰控制策略；
S3、
设计基于扩展状态观测器的编队控制协议，用于在模型不确定性和外部干扰情况下的异构系统在
XY
平面上跟踪预先设计好的轨迹；设计一个
UAV
的高度控制器，实现
UAV
在
Z
轴上的高度跟踪控制，以保证异构系统的协同编队形成；
S4、
在输入状态稳定性的基础上，基于
Lyapunov
稳定性理论，证明控制结构的稳定性，并且闭环系统中的所有信号最终都被约束
。2.
根据权利要求1所述的带有避碰策略的异构
UAV
‑
USVs
编队系统的协同控制方法，其特征在于，所述步骤
S1
具体包括：
S11、
构建四旋翼
UAV
的动态模型，具体如下：的动态模型，具体如下：其中，
[
φ
,
θ
,
ψ
]
T
为
UAV
的姿态状态，
[p
ax
,p
ay
,p
az
]
T
为
UAV
的位置状态，
τ
φ
,
τ
θ
,
τ
ψ
为
UAV
的三个控制力矩，
u
p
为
UAV
的控制推力，
g
为重力加速度，
m
a
为
UAV
的质量，为总剩余转子角，
J
ax
,J
ay
,J
az
为转动惯量，
d
x
,d
y
,d
z
,d
φ
,d
θ
,d
ψ
为平移阻力系数，
Δ
ax
,
Δ
ay
,
Δ
az
为
UAV
遭受的外部干扰，
J
ar
为转子惯性力矩；
S12、
为了实现编队的目标，即：将质心定位在预定位置，而旋转动力学单独稳定，因此，将
UAV
的位置动力学重写为：其中，
p
a
＝
[p
ax
,p
ay
,p
az
]
T
，
g
a
＝
diag{1/m
a
,1/m
a
,1/m
a
}
，
Δ
a
＝
[
Δ
ax
,
Δ
ay
,
Δ
az
]
T
，
u
a
＝
[u
ax
,u
ay
,u
az
]
T
表示新的控制信号，
S13、
构建第
i(i∈
Π
)
艘
USV
在水平面上的运动学与动力学模型，如下：在水平面上的运动学与动力学模型，如下：其中，
(x
bi
,y
bi
)
是第
i
个
USV
的位置，
ψ
bi
是第
i
个
USV
的偏航角，
α
i
＝
[
μ
bi
,v
bi
,r
bi
]
T
分别表示浪涌
、
摇摆和偏航速度，
m
μ
bi
,m
vbi
,m
rbi
是惯性质量，
f
μ
bi
(
α
i
),f
vbi
(
α
i
),f
rbi
(
α
i
)
是由未建模的流体力学和科里奥利力组成的非线性动力学，
w
μ
bi
,w
vbi
,w
rbi
是由波浪
、
风和洋流引起的有界扰动，和是激流力和偏航力矩，
Π
＝
{1,2,...,N}
；
S14、
由于所描述的
USV
的运动模型是欠驱动的，因此采用手位法来处理，将
USV
的前点
(p
bix
,p
biy
)
定义为手点，表示为：其中，
L
bi
为实际位置
(x
bi
,y
bi
)
与新定义的手点
(p
bix
,p
biy
)
之间的距离；
S15、
对步骤
S14
中的手点求二阶导数，得到：
结合上式得到：其中，其中，
β
＝
[
μ
bi
,v
bi
,r
bi
,
ψ
bi
]
T
S16、
将第
i
个
USV
的位置动力学模型描述为：其中，
p
bi
＝
[p
bix
,p
biy
]
T
表示第
i
个
USV
的位置，
f
bixy
＝
[f
bix
,f
biy
]
T
，
Ω
bi
(
ψ
bi
)
＝
[cos
ψ
bi
,
‑
sin
ψ
bi
；
sin
ψ
bi
,cos
ψ
bi
]
，
u
bi
＝
[
τ
μ
,
τ
r
]
T
，
ω
bi
＝
diag{1/m
μ
bi
,L
bi
/m
rbi
}
，
w
bixy
＝
[w
bix
,w
biy
]
T
；
S17、
结合步骤
S11
至步骤
S16
，构建
XY
平面上异构系统的统一模型，具体如下：其中，
x
i1
＝
x
a1
∈R2,x
i2
＝
x
a2
∈R2表示
UAV
在
XY
平面上的位置和速度，
F
xi
＝
F
axy
，
G
xi
＝
G
axy
，
Δ
xi
＝
Δ
axy
，
u
xi
＝
u
axy
；
x
i1
＝
x
bi1
∈R2，
x
i2
＝
x
bi2
∈R2表示第
i
艘
USV
的位置和速度，
F
xi
＝
F
bi
，
G
xi
＝
G
bi
，
Δ
xi
＝
w
bixy
，
u
xi
＝
u
bi
；
S18、
定义虚拟
leader
，其运动模型描述如下：其中，
x
l1
∈R2,x
l2
∈R2分别表示虚拟领导者的位置和速度状态向量，
F
l
∈R2表示光滑未
知非线性函数；
S19、
定义系统的误差变量为：其中，
δ
i
∈R2表示异质系统中第
i
个
agent
与虚拟
leader
之间期望的相对位置向量
。3.
根据权利要求1所述的带有避碰策略的异构
UAV
‑
USVs
编队系统的协同控制方法，其特征在于，所述步骤
S2
具体包括：
S21、
假设气动阻力系数
d
ix
,d
iy
和
d
iz
是有界的和未知的，
UAV
遇到的外部扰动
Δ
aix
，
Δ
aiy
，
Δ
aiz
是有界的，满足其中为未知正常数；
USV
所遇到的外部扰动
w
μ
bi
，
w
ν
bi
，
w
rbi
是有界的，且满足其中为未知正常数；
S22、
假设
agent
和虚拟
leader
的速度是有界的，它们满足
v
l
≠0
，
v
i
≠0
；
S23、
假设
G
xi
是一个对称矩阵，特征值是
λ1,
λ2,...,
λ
m
，满足其中为正常数；
S24、
假设未知非线性函数
F
l
是有界的，则存在一个正常数
α
l
，使得
F
l
＜
α
l
；
S25、V(t)
＞0是任意时刻的连续函数，且
V(t)
的初始状态是有界的，如果不等式在
γ
＞0和
...
【专利技术属性】
技术研发人员：宁君，黄寓旸，刘子涵，邵年骏，刘陆，彭周华，李铁山，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。