【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人艇，尤其涉及一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法和装置。
技术介绍
1、在无人艇的实际应用过程中，由于任务范围以及复杂度的增加，单一无人艇已无法满足实际要求，而多无人艇编队由于任务效率高、工作适应性强等优点，近年来得到广泛的关注。目前采用集中式方法，是通过一个中央控制器对整个编队进行统计计算控制，该方法虽然成本低，易于实现，但整体计算量较大，并且当编队中一个环节出现延迟或故障，编队的整体性能会下降。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是，提供一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法和装置，可以提升编队的整体性能。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，包括以下步骤：
4、步骤s1、根据虚拟领航跟随模式，得到分布式模型预测控制器；
5、步骤s2、根据分布式模型预测控制器，得到分布式状态观测器；
6、步骤s3、对分布式状态观测器进行误差模型分析，确定控制参数；
7、步骤s4、基于控制参数设计滑膜控制器，实现编队轨迹跟踪。
8、作为优选，步骤s1中，分布式模型预测控制器使编队系统在随机时滞条件下具有稳定性，同时满足系统约束条件以及期望队形，控制目标描述如下：
9、
10、
11、其中，ηf,i＝[xf,i,yf,i,ψf,i]t为编队内第i个无人水面航行器
12、作为优选，步骤s2中，根据观测到的主usv的位置信息进行分布式状态观测器的设计，实现从usv对主usv的状态信息的估计：
13、
14、
15、
16、其中，分别为从usv对主usv估计的位置和航向信息；i＝1,2,…,n，n为从usv总数量；参数η1，η2，η3为正数且0＜α1,α2,α3＜1；aij为带权邻接矩阵的元素，表示编队中节点之间的有向连接权值，且有向图的弧对应的权重不小于0；bi为编队中第i个usv和虚拟领航者之间的连接权重；sigα(y)＝|y|αsgn(y)，α＞0，sgn(·)是标准符号函数。
17、作为优选，步骤s3中，误差模型的动态表达式为：
18、
19、其中，xie、yie和θie分别为第i个usv的位置和航向误差；υi和ωi分别是第i个usv的速度和角速度；υ0和ω0分别是虚拟领航者速度和角速度；
20、通过控制率υi和ωi使误差模型稳定，进而实现编队整体的稳定。
21、本专利技术还提供一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪装置，包括：
22、第一计算模块，用于根据虚拟领航跟随模式，得到分布式模型预测控制器；
23、第二计算模块，根据分布式模型预测控制器，得到分布式状态观测器；
24、分析模块，用于对分布式状态观测器进行误差模型分析，确定控制参数；
25、跟踪模块，用于基于控制参数设计滑膜控制器，实现编队轨迹跟踪。
26、作为优选，分布式模型预测控制器使编队系统在随机时滞条件下具有稳定性，同时满足系统约束条件以及期望队形，控制目标描述如下：
27、
28、
29、其中，ηf,i＝[xf,i,yf,i,ψf,i]t为编队内第i个无人水面航行器usv在惯性坐标系下的位置和航向；ηe,i＝[xe,i,ye,i,ψe,i]t为编队内第i个usv在惯性坐标系下的期望位置和航向；δeij为usvi,j之间的期望距离；t∞∈[0,∞)为编队收敛时间；n为编队内usv的数量。
30、作为优选，根据观测到的主usv的位置信息进行分布式状态观测器的设计，实现从usv对主usv的状态信息的估计：
31、
32、
33、
34、其中，分别为从usv对主usv估计的位置和航向信息；i＝1,2,...,n，n为从usv总数量；参数η1，η2，η3为正数且0＜α1,α2,α3＜1；aij为带权邻接矩阵的元素，表示编队中节点之间的有向连接权值，且有向图的弧对应的权重不小于0；bi为编队中第i个usv和虚拟领航者之间的连接权重；sigα(y)＝|y|αsgn(y)，α＞0，sgn(·)是标准符号函数。
35、作为优选，误差模型的动态表达式为：
36、
37、其中，xie、yie和θie分别为第i个usv的位置和航向误差；υi和ωi分别是第i个usv的速度和角速度；υ0和ω0分别是虚拟领航者速度和角速度；
38、通过控制率υi和ωi使误差模型稳定，进而实现编队整体的稳定。
39、本专利技术在双主交替领航下基于领航-跟随方法基础上提出的分布式控制方法，分布式方法则不存在所谓的“控制中心”，每一个节点都是独立的，仅通过状态信息间的交互即可达到控制的目的。本专利技术有着较好的容错性以及扩展性，本专利技术可以有效解决单主模式下导航系统的可观测性弱、对主领航艇机动性要求高等缺点。同时滑模控制方法因系统的“结构”不固定，具有快速响应、设计简单、对外界参数和扰动强鲁棒性等优点。
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1.一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤S1中，分布式模型预测控制器使编队系统在随机时滞条件下具有稳定性，同时满足系统约束条件以及期望队形，控制目标描述如下：
3.如权利要求2所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤S2中，根据观测到的主USV的位置信息进行分布式状态观测器的设计，实现从USV对主USV的状态信息的估计：
4.如权利要求3所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤S3中，误差模型的动态表达式为：
5.一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪装置，其特征在于，包括：
6.如权利要求5所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪装置，其特征在于，分布式模型预测控制器使编队系统在随机时滞条件下具有稳定性，同时满足系统约束条件以及期望队形，控制目标描述如下：
7.如权利要求6所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟
8.如权利要求7所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪装置，其特征在于，误差模型的动态表达式为：
...【技术特征摘要】
1.一种双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤s1中，分布式模型预测控制器使编队系统在随机时滞条件下具有稳定性，同时满足系统约束条件以及期望队形，控制目标描述如下：
3.如权利要求2所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤s2中，根据观测到的主usv的位置信息进行分布式状态观测器的设计，实现从usv对主usv的状态信息的估计：
4.如权利要求3所述的双主交替领航下基于滑模控制的编队轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤s3中，误差模型的...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐博，甄亚楠，王朝阳，沈浩，王潇雨，费亚林，丁文婧，陈志深，朱海滨，臧焌博，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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