一种多船舶协同跟踪控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种多船舶协同跟踪控制系统及控制方法，涉及船舶协同控制技术领域，所述多船舶协同跟踪控制系统包括：引导单元，误差单元，固定时间非奇异快速终端滑模面单元，固定时间辅助动态单元，事件触发控制单元，固定时间扩张状态观测单元，饱和补偿单元

【技术实现步骤摘要】
一种多船舶协同跟踪控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶协同控制
，具体而言，涉及一种多船舶协同跟踪控制系统及控制方法
。

技术介绍

[0002]随着海洋工程作业种类和数目不断增多，特种船舶在执行一些复杂的海洋任务，如救援行动时，单艘水面船舶的作业能力有限，所以需要较长的时间才能完成，因此，如果采用多船舶协同作业的方式，可以从多方位
、
多角度快速有效地执行任务，从而极大的减少损失
。
[0003]然而在极端海洋环境下，面临着特种船舶运动大惯性
、
载荷时变不确定性的问题，对精准协同控制带来了巨大挑战，同时由于一些紧急任务需要快速
、
精确地完成，因此多船舶系统的快速收敛特性被认为是衡量其动态性能的一个重要指标
。
[0004]目前，大多数协同控制系统是基于滑模控制方法，滑模控制方法具有较高的鲁棒性，针对非线性系统以及系统不确定性和外界环境干扰都有较好的控制效果，但传统滑模控制方法大多只有当时间趋近于无穷时才能收敛，也就是达到稳定，造成控制系统的响应速度低，且船舶在移动过程中，其执行机构可能会因控制力矩过大而饱和，导致控制系统稳定性差
。

技术实现思路

[0005]本专利技术解决的问题是在多船舶协同控制时，如何改善因船舶的执行机构饱和而导致的控制系统稳定性差，同时提高多船舶协同控制系统的稳定性
。
[0006]为解决上述问题，本专利技术提供一种多船舶协同跟踪控制系统，包括：引导单元
、
误差单元
、
固定时间非奇异快速终端滑模面单元
、
固定时间辅助动态单元
、
事件触发控制单元
、
固定时间扩张状态观测单元和饱和补偿单元；所述引导单元用于根据预设的虚拟船舶得到期望轨迹，并根据所述期望轨迹得到各个时刻的期望位姿及期望速度；所述固定时间扩张状态观测单元用于根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出得到估计速度和复合干扰的估计
。
[0007]所述误差单元用于根据所述期望位姿
、
所述实时位姿
、
所述期望速度
、
所述估计速度和所述固定时间辅助动态单元输出的辅助状态变量得到位姿误差矢量和速度误差矢量；所述固定时间非奇异快速终端滑模面单元用于根据所述位姿误差矢量和所述速度误差矢量得到固定时间非奇异快速终端滑模面；所述事件触发控制单元用于根据所述固定时间非奇异快速终端滑模面
、
所述估计速度和所述复合干扰得到协同控制律，并根据所述协同控制律
、
上一次的所述事件触发控制单元的输出和预设触发条件得到目标控制律；所述饱和补偿单元用于通过预设控制律阈值和所述目标控制律进行比较，根据比
较的结果得到最终控制律，并将所述最终控制律转至船舶的执行机构；所述固定时间辅助动态单元用于将所述目标控制律和所述最终控制律相减得到控制律误差矢量，并根据所述控制律误差矢量得到所述辅助状态变量
。
[0008]可选地，根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出得到估计速度和复合干扰的估计，包括：根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出，通过式二得到所述估计速度和所述复合干扰的估计，其中所述饱和补偿单元的输出为所述最终控制律；所述式二为：
[0009]其中，，，，
i=1,2,3
，，，，，对于足够小的常数，，为第
i
艘船舶的实时位姿，为第
i
艘船舶的实时位姿的估计，为第
i
艘船舶的实时位姿的估计的导数，为第
i
艘船舶的旋转矩阵；为第
i
艘船舶的惯性质量矩阵的逆矩阵，，，为第
i
艘船舶的速度矢量，为第
i
艘船舶的速度矢量的估计，为第
i
艘船舶的速度矢量的估计的导数；为第
i
艘船舶的复合干扰，为第
i
艘船舶的复合干扰的估计，为第
i
艘船舶的复合干扰的估计的导数，，，，均为所述固定时间扩张状态观测单元的预设参数，为第
i
艘船舶的复合干扰的一阶导数的上界，为第
i
艘船舶的最终控制律
。
[0010]可选地，所述根据所述控制律误差矢量得到所述辅助状态变量，包括：通过式一得到所述辅助状态变量；所述式一为：；
[0011]其中，表示所述控制律误差矢量，即定义为，为第
i
艘船舶的旋转矩阵；为第
i
艘船舶的惯性质量矩阵的逆矩阵，为所述辅助状态变量，为所述辅助状态变量的导数，，是预设的正定对角增益矩阵，，，
，其中是控制增益矩阵的第
i
行，为第
i
艘船舶的最终控制律
,
表示第
i
艘船舶的目标控制律
。
[0012]可选地，所述固定时间非奇异快速终端滑模面包括：；
[0013]其中，，，，其中，，，，和，为第
i
艘船舶的位姿误差矢量；为第
i
艘船舶的速度误差矢量；为第
i
艘船舶的速度误差矢量的估计，是非负函数并且满足当时
。
[0014]可选地，所述事件触发控制单元包括零阶保持器
、
固定时间协同控制器和触发控制器，所述固定时间协同控制器用于根据所述固定时间非奇异快速终端滑模面
、
所述估计速度和所述复合干扰的估计得到所述协同控制律，所述零阶保持器用于保持上一次的所述事件触发控制单元的输出，所述触发控制器用于将所述协同控制律与上一次的所述事件触发控制单元的输出的差值和预设触发条件进行比较，根据比较的结果得到所述目标控制律
。
[0015]可选地，所述预设触发条件包括：；
[0016]；
[0017]其中，，是正常数，为所述预设触发条件，为在上一次的所述事件触发控制单元的输出，由零阶保持器从上一个触发时刻保持到下一个触发时刻
。
[0018]可选地，所述误差单元包括位姿误差器和速度误差器，所述姿误差器用于根据所述期望位姿和所述实时位姿得到所述位姿误差矢量，所述速度误差器用于根据所述期望速度
、
所述估计速度和所述辅助状态变量得到所述速度误差矢量
。
[0019]可选地，所述通过预设控制律阈值和所述目标控制律进行比较，根据比较的结果得到所述最终控制律，包括：当所述目标控制律满足所述预设控制律阈值时，所述目标控制律作为所述最终控
制律；当所述目标控制律不满足所述预设控制律阈值时，所述预设控制律作为所述最终控制律
。
[0020]本专利技术所述的多船舶协同跟踪控制系统相对于现有技术的优势在于：通过引入固定时间扩张状态观测单元，通过实时位姿和所述饱和补偿单元输出的最终控制律得到估计速度和复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多船舶协同跟踪控制系统，其特征在于，所述多船舶协同跟踪控制系统包括：引导单元
、
误差单元
、
固定时间非奇异快速终端滑模面单元
、
固定时间辅助动态单元
、
事件触发控制单元
、
固定时间扩张状态观测单元和饱和补偿单元；所述引导单元用于根据预设的虚拟船舶得到期望轨迹，并根据所述期望轨迹得到各个时刻的期望位姿及期望速度；所述固定时间扩张状态观测单元用于根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出得到估计速度和复合干扰的估计；所述误差单元用于根据所述期望位姿
、
所述实时位姿
、
所述期望速度
、
所述估计速度和所述固定时间辅助动态单元输出的辅助状态变量得到位姿误差矢量和速度误差矢量；所述固定时间非奇异快速终端滑模面单元用于根据所述位姿误差矢量和所述速度误差矢量得到固定时间非奇异快速终端滑模面；所述事件触发控制单元用于根据所述固定时间非奇异快速终端滑模面
、
所述估计速度和所述复合干扰得到协同控制律，并根据所述协同控制律
、
上一次的所述事件触发控制单元的输出和预设触发条件得到目标控制律；所述饱和补偿单元用于通过预设控制律阈值和所述目标控制律进行比较，根据比较的结果得到最终控制律，并将所述最终控制律转至船舶的执行机构；所述固定时间辅助动态单元用于将所述目标控制律和所述最终控制律相减得到控制律误差矢量，并根据所述控制律误差矢量得到所述辅助状态变量
。2.
根据权利要求1所述的多船舶协同跟踪控制系统，其特征在于，所述根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出得到估计速度和复合干扰的估计，包括：根据实时位姿和所述饱和补偿单元的输出，通过式二得到所述估计速度和所述复合干扰的估计，其中所述饱和补偿单元的输出为所述最终控制律；所述式二为：其中，，，，
i=1,2,3
，，，，，对于足够小的常数，，为第
i
艘船舶的实时位姿，为第
i
艘船舶的实时位姿的估计，为第
i
艘船舶的实时位姿的估计的导数，为第
i
艘船舶的旋转矩阵；为第
i
艘船舶的惯性质量矩阵的逆矩阵，，，为第
i
艘船舶的速度矢量，为第
i
艘船舶的速度矢量的估计，为第
i
艘船舶的速度矢量的估计的导
数；为第
i
艘船舶的复合干扰，为第
i
艘船舶的复合干扰的估计，为第
i
艘船舶的复合干扰的估计的导数，，，，均为所述固定时间扩张状态观测单元的预设参数，且均为正常数，为第
i
艘船舶的复合干扰的一阶导数的上界，为第
i
艘船舶的最终控制律
。3.
根据权利要求1所述的多船舶协同跟踪控制系统，其特征在于，所述根据所述控制律误差矢量得到所述辅助状态变量，包括：通过式一得到所述辅助状态变量；所述式一为：；其中，表示所述控制律误差矢量，即定义为，为第
i
艘船舶的旋转矩阵；为第
i
艘船舶的惯性质量矩阵的逆矩阵，为所述辅助状态变量，为所述辅助状态变量的导数，，是预设的正定对角增益矩阵，，，，其中是控制增益矩阵的第
i
行，为第
i
艘船舶的最终控制律
,
表示第
i
艘船舶的目标控制律
。4.
根据权利要求2所述的多船舶协同跟踪控制系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏桂华，王元慧，任哲达，张潇月，王心玮，李冰，吴鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：