【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人艇编队控制，具体涉及的是一种基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法。
技术介绍
1、近年来，随着对海洋丰富资源开发，欠驱动水面无人艇在海洋科学研究、海洋资源保护和执行海上任务等方面有巨大的作用。工程应用对无人艇操纵性能和控制精度的要求越来越高，同时对欠驱动无人艇编队控制的研究也带来新的挑战。欠驱动无人艇没有侧向推进器，通过螺旋桨推力控制纵向速度，其横向位移及航向角度依靠无人艇的转向力矩控制。尤其在无人艇模型参数辨识不准确和存在外界干扰条件下，要实现欠驱动无人艇的航迹跟踪控制更富有挑战性和实际意义。
2、传统的编队控制的研究方法可分为以下几类：跟随领航者法、基于行为法、虚拟结构法以及基于图论法。跟随领航者法就是指定系统中某一智能体作为领航者，其余的智能体跟着领航者运动，这样就把编队控制问题转化为控制跟随者跟踪领航者的位置和方向的问题。
3、编队控制方面的研究成果包括有限时间控制、固定时间控制以及指定时间控制。有限时间控制中，系统在有限时间收敛，但收敛时间上界与系统的初始状态有关。固定时间控制中收敛时间上界不受初始条件影响，只与参数有关；但是，由于固定时间控制的收敛时间与控制参数有着复杂的耦合关系，繁琐的多调参变量和函数关系限制了固定时间控制法在集群控制中的应用；与固定时间控制相比，指定时间控制要求收敛时间能独立输入且自由预置，具有更大的应用潜力。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术提出一种基于方位信息和单间距测量的欠驱动无
2、技术方案：本专利技术所述的一种基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，包括以下步骤：
3、(1)对无人艇动力学模型进行分析，构建通信拓扑结构图；
4、(2)对编队缩放运动的领导艇航迹进行规划，第一跟随者不仅作为跟随者，同时是编队的第二领导者；
5、(3)第一跟随艇通过测量和领航艇的距离和相对方位，采用指定时间收敛的控制算法，和领航艇保持期望的距离和相对方位，通过控制与领航者的距离实现无人艇队形的缩放；
6、(4)除了领航者和第一跟随者以外，剩下的无人艇均为其余跟随者，只测量和邻居的相对方位，通过控制率使其余跟随者和邻居的相对方位达到期望值，使得队形框架唯一。
7、进一步地，步骤(1)所述对无人艇动力学模型进行分析过程如下：
8、无人艇的动力学模型写作如下形式：
9、
10、其中，(xi,yi)和ψi分别表示第i个无人艇在大地坐标系中的位置和偏航角，ui,vi和ri是在本体坐标系中表示的纵荡、横荡和偏航中的速度；ψwi＝ψi+βi是带侧滑角的航向角且βi＝atan(vi/ui)；
11、
12、其中，mui、mvi和mri表示第i个无人艇纵荡、横荡和偏航中速度的惯性质量，非线性函数fui(·)，fvi(·)，fri(·)是第i个无人艇由科氏力、向心力和阻尼力组成的不确定性因素，和为波风引起的外部扰动，τui为速度的控制输入，τri为航向角的控制输入。
13、进一步地，步骤(1)所述构建通信拓扑结构图实现过程如下：
14、在多无人艇系统中，采用节点来代替实际的无人艇，通过无向图g＝{ν,ε}来描述多无人艇间的拓扑结构和关系；每一个无人艇可看作一个节点，节点与节点之间的边表示无人艇间的约束，其中ν表示节点集合，ν＝{1,2,...,n}；ε表示边集，pi(t)为无人艇i在时刻t的位置；无人艇位置结构表示为p＝col(p1,…pn)；在二维空间中，如果队形框架的顶点数n和边数m满足m＝2n-3，那么该队形框架形状唯一；图的关联矩阵记为其中[h]ki＝-1，如果向量i为边k的尾部；如果向量i是边k的顶点，则[h]ki＝1；其他情况[h]ki＝0；对于邻接矩阵定义为对所有的i＝1,…,n,aii＝0；如果(i,j)∈ε且i≠j，则aij>0，反之aij＝0；aij为边(i,j)上的加权值；拉普拉斯矩阵为l＝[lij]＝d-a，入度矩阵d为为节点i的入度；
15、拉普拉斯矩阵为：
16、
17、其中，
18、对于任意非零向量定义正交投影矩阵为：
19、
20、其中，id是一个二维的单位矩阵，px是一个正交投影半正定矩阵，将任何向量投影到x轴的垂直方向上；对于边(i,j)，分别定义边上的位置偏差向量和方位向量为：
21、
22、其中，gij表示pj相对于pi的相对方位；有eij＝-eij,gij＝-gij和||gij||＝1；
23、为保证方位编队唯一性，引入方位拉普拉斯矩阵：
24、
25、进一步地，步骤(2)所述第一跟随者速度为：
26、
27、其中，p1为第一跟随者位置，为领导者无人艇相对第一跟随者的期望相对方位，k为距离控制项增益且k>0；v0为领导者的速度；α为领导者和第一跟随者的距离控制项：
28、
29、进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
30、第一跟随者控制输率τui和τri为：
31、
32、其中，kv，kr为正数，γui和γri是对εui和εri的估计，γui和γri是自适应补偿项对未知估计误差进行补偿：
33、
34、其中，ηu,ηr,λu,λr为正数，时变函数μ为：
35、
36、其中，h>2，对于任意当且μ(t)-b(b>0)在(t0,t0+t)单调递减；在[t0,t0+t)时μ(t)的导数为
37、
38、第一跟随者在控制率(9)的作用下，在指定时间收敛到满足期望相对方位的位置，并且可以自主控制与领导者的间距。
39、进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
40、剩余跟随者控制率τui和τri为：
41、
42、其中，和是对εui和εri的估计，和是自适应补偿项对未知估计误差进行补偿：
43、
44、剩余跟随者在控制率(12)的作用下，使得整个系统形成唯一的期望队形，整个队形框架可以缩放，同时所有无人艇的速度都收敛于领航者的速度，整体以共同速度运动。
45、有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术提出了一种指定时间无人艇编队控制器，从而使无人艇编队系统的各个状态量能够在指定时间内完成收敛，具有响应速度更快、抗干扰能力更强的优势；2、编队结构采用“领导者—第一跟随者”结构，对第一跟随者控制输入加入距离约束，使其可以获得与领导者的距离信息，通过对领导者智能体与第一跟随智能体间距的控制实现所有智能体间距的缩放；利用神经网络估计无人艇的未知项，包括模型不确定性和环境干扰。
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1.一种基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤(1)所述对无人艇动力学模型进行分析过程如下：
3.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤(1)所述构建通信拓扑结构图实现过程如下：
4.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤(2)所述第一跟随者速度为：
5.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：
6.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：
【技术特征摘要】
1.一种基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤(1)所述对无人艇动力学模型进行分析过程如下：
3.根据权利要求1所述的基于方位信息和单间距测量的欠驱动无人艇编队控制方法，其特征在于，步骤(1)所述构建通信拓扑结构图实现过程如下：
【专利技术属性】
技术研发人员：李建祯，王渊，杨晓飞，王伟然，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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