【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及欠驱动无人船编队避让控制，特别是一种基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法。
技术介绍
1、目前，欠驱动无人船编队在海上航行时都需要进行控制，以避免发生碰撞，保证安全；现有技术中，针对欠驱动无人船编队控制方法已有一些避碰算法，但是，基本都是依靠距离来实现的，基于风险评估的角度，仅仅依靠距离来决定是否进入避碰模式是太过保守了。
2、基于此考虑，本申请综合考虑船舶的艏向、位置、速度等信息，综合考虑障碍物的速度等信息，提出一种光滑避碰的参考艏向角，综合考虑了执行机构的输入饱，构建了一种继续避碰参考艏向角的控制方法。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、能够实现实时避碰，并且避碰轨迹平滑的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法。
2、本专利技术所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本专利技术是一种基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，该方法设计了用于实现欠驱动无人船编队的避碰和避障的控制系统，控制系统包括避碰和避障系统、控制器、欠驱船1、欠驱船2、欠驱船3、欠驱船4、领航船、执行机构、辅助动态系统、期望编队和干扰观测器，具体包括：
3、第i艘无人船的动力学和运动学模型为：
4、
5、
6、
7、
8、
9、
10、式中：(xi，yi)为第i艘船的位置，ψi是艏向向量，ui，vi，
11、领航船由一个下标为“0”的虚拟船行驶的轨迹来生成：
12、
13、
14、
15、通过积分可以计算出领航船各个时刻的状态；
16、式中(x0，y0)是领航船的位置，ψ0是领航船的艏摇角，u0是领航船的纵荡速度，v0为领航船的横荡速度，r0是领航船的艏摇角速度；
17、输入无饱和、输入饱和之间的差值函数被定义为ωiu＝τiuc-τiu，ωir＝τirc-τir；τiuc和τirc是控制器计算出的纵向推力和转艏力矩；
18、干扰观测器根据无人船的控制输入和速度信息估计出环境干扰，其模型如下：
19、
20、
21、式中ζi是观测器状态，是正定的观测器增益矩阵，是干扰ξi的估计值，
22、τi＝[τiu 0 τir]t，ξi＝[ξi1 ξi2 ξi3]t＝di+fi，di＝[di1 di2 di3]t，fi＝[fi1 fi2 fi3]t，m＝diag{m11 m22 m33}为系统惯性矩阵，υi＝[ui vi ri]t；
23、控制器设计
24、第一步：定义编队位置误差矢量如下
25、
26、式中，如果第i艘船可以获得第j艘船的信息aij＝1，否则aij＝0；pijd是期望的第i艘船相对第j艘船的位置，
27、为了稳定pie，虚拟控制律βi＝[βi1 βi2]t被设计为
28、
29、其中，k1i是正定的增益矩阵，
30、第二步：定义航向角误差如下
31、ψie＝ψi-ψia，
32、为了稳定ψie，虚拟控制律βi3被设计如下
33、
34、ki2是正常数；
35、第三步：定义速度误差如下
36、
37、
38、
39、这里由于是βi1，βi2，βi3通过一阶滤波器得到的参数，αi1，αi2，αi3为辅助动态系统的参数，它们被用来处理输入饱和和欠驱的问题，γ1是正常数；
40、第四步：辅助动态系统参数的更新律被设计为：
41、
42、
43、
44、式子中，ki4 tu tr是正常数；
45、第五步：第i艘船的控制律被设计如下：
46、
47、
48、式子中，ki3 ki5是正常数。
49、本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，在该方法中，控制系统分析传感器数据并确定船舶是否有碰撞的危险，
50、如果满足方程之一，船舶将采取避碰行为；
51、其中ro＝max{ri，ri，o}，ri和ri，o分别是第i艘usv和第k个障碍物防撞范围，ρio定义为第i艘usv和第k个障碍物之间的相对距离；λio是第i艘usv和第k个障碍物之间的相对角度，被定义为其中λi，ao＝(λiol，λioh)，λiol和λioh分别是第i艘usv和第i个障碍物之间的最小和最大相对角度；其中rc＝max{ri，rj}，ri和rj分别是第i艘usv和第j艘usv的防撞范围；λi，ac＝(λicl，λich)，λicl和λich分别是第i艘usv和第j艘usv之间的最小和最大相对角。
52、本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，对于以上所述的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，在该方法中，第k个障碍被建模为：其中k＝1，...，no和no为障碍物总数，pk，o＝[xk，o，yk，o]t为第k个障碍物的位置，vk，o＝[uk，o，vk，o]t为第k个障碍物的速度矢量。
53、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
54、1、本专利技术综合考虑障碍物的位置速度、本船的位置、艏向、速度等信息，相较于现有反应式算法，该避碰算法更为安全高效；
55、2、本专利技术避碰参考角综合考虑了执行机构功率限制，能够提供一个光滑的避碰轨迹。
56、3、本专利技术为反应式避碰算法，相较于现有的路径规划避碰算法，计算时间更短，在动态障碍物影响下，也能够实现实时避碰。
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1.一种基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，其特征在于：该方法设计了用于实现欠驱动无人船编队的避碰和避障的控制系统，控制系统包括避碰和避障系统、控制器、欠驱船1、欠驱船2、欠驱船3、欠驱船4、领航船、执行机构、辅助动态系统、期望编队和干扰观测器，具体包括：
2.根据权利要求1所述的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，其特征在于：在该方法中，控制系统分析传感器数据并确定船舶是否有碰撞的危险，
3.根据权利要求1所述的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，其特征在于：在该方法中，第k个障碍被建模为:其中k＝1,...,No和No为障碍物总数，pk,o＝[xk,o,yk,o]T为第k个障碍物的位置，νk,o＝[uk,o,vk,o]T为第k个障碍物的速度矢量。
【技术特征摘要】
1.一种基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，其特征在于：该方法设计了用于实现欠驱动无人船编队的避碰和避障的控制系统，控制系统包括避碰和避障系统、控制器、欠驱船1、欠驱船2、欠驱船3、欠驱船4、领航船、执行机构、辅助动态系统、期望编队和干扰观测器，具体包括：
2.根据权利要求1所述的基于避碰策略角的欠驱动无人船编队避碰控制方法，其特征...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏小明，杨天祥，夏长伟，杨棹迪，
申请(专利权)人：江苏海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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