【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人艇控制，具体涉及一种多usv事件触发误差约束控制方法。
技术介绍
1、无人艇(unmanned surface vessel,usv)作为一种具有较高自主性和灵活性的海上无人作业平台，能够执行各项海上任务，在海洋领域发挥着重要的作用。由于单个usv在执行任务的时候存在作业范围小、工作效率低以及容错能力低等缺点，采用多usv协同作业的方式可以更加适应复杂的海洋环境以及多样化的海洋作业任务，提高作业效率。
2、多usv在水面执行任务时，通常需要它们能够跟踪指定的轨迹，以保证多usv系统维持编队队形并通过协同控制来完成任务。在实际的航行过程中，usv的执行机构比如电机会受到物理条件的限制，无法提供无限制的输入力和力矩，此时存在输入饱和问题。同时usv在航行过程中状态会发生变化，这种变化影响自身的水动力参数，进而导致自身模型的不确定性。此外usv易受风、浪、流等外界干扰而导致其航行路线与正常路线有偏离，还会遇到狭窄航道的障碍物影响usv正常航行等特殊状况，进而出现控制失效的情况。因此对usv的轨迹进行约束，对顺利完成作业任务、保证系统自身的性能及安全具有重要的意义。
3、误差约束控制方法目前在多智能体领域应用较为广泛，但是该方法没有考虑usv的实际应用场景以及周期性通讯存在的资源浪费问题。因此误差约束控制方法不能直接适用于usv的控制，尤其是多usv的控制。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决现有的控制方法无法有效应对多无人艇航行过程中的状态变化
2、一种考虑输入饱和的多usv事件触发误差约束控制方法，针对一个多usv系统中的每个usv，建立usv的运动学和动力学方程；所述多usv系统包括1艘领航者和n艘跟随者，跟随者usv的编号分别为1,2,…,n，领航者usv的编号表示为0；多usv系统的通讯方式是有向通讯拓扑；
3、针对usv的执行机构采用平滑双曲正切函数逼近饱和函数；构建第i艘usv的饱和输入估计模型：
4、pi(τi)＝[pi(τik)]
5、
6、用τ＝[τ1,τ2,τ3]t表示作用在usv上的期望力τ1,τ2和力矩τ3，则τi＝[τi1,τi2,τi3]表示第i艘跟随者的推进系统产生的控制力τi1,τi2和力矩τi3；τimax＝[τi1max,τi2max,τi3max]t为饱和控制力τi1max,τi2max和力矩τi3max的幅值；
7、基于pi(τi)，将第i艘跟随者usv的输入饱和表示为
8、sat(τi)＝pi(τi)+qi(τi) (3)
9、式中，sat(τi)＝[sat(τi1),sat(τi2),sat(τi3)]t，sat(·)表示饱和函数；qi(τi)为饱和输入估计模型误差；
10、基于usv的运动学和动力学方程，将第i艘跟随者的usv的运动学和动力学方程变换为
11、
12、式中，xi1＝ηi，xi2＝vi，fi为模型自身非线性；为第i艘跟随者对应的质量惯性矩阵的逆；ji为第i艘跟随者对应的惯性坐标系与运动坐标系之间的转换矩阵；wi为第i艘跟随者对应的未知外界干扰；
13、然后设计输入饱和辅助变量其中，ki2为正常量，pi(τi)为第i艘跟随者的饱和输入估计，τi为第i艘跟随者推进系统产生的控制力和力矩；
14、将第i艘usv的未知非线性fi表示为fi＝witφi+εi；其中，表示权重矩阵，表示激活函数，是逼近误差；
15、进而将公式(4)变换为
16、
17、式中，xi1＝ηi，ηi为第i艘跟随者对应的η，η＝[x,y,ψ]t表示usv在惯性坐标系下的位置x,y与姿态ψ；xi2＝vi，vi为第i艘跟随者对应的v，v＝[u,v,r]t表示运动坐标系下的速度u,v与角速度r；di＝εi+wi表示第i艘跟随者对应的整体干扰；
18、设计如下干扰观测器：
19、
20、式中，δi为干扰观测器的辅助系统状态量；ki是一个正常数；是wi的预估值；是di的预估值；
21、采用rbf神经网络进行逼近fi，并确定神经网络估计律如下：
22、
23、式中，λi和βi为正常量，为速度补偿误差，其中，为速度误差，补偿信号βi2满足
24、基于设计的干扰观测器和神经网络估计律，利用多usv分布式事件触发误差约束控制器对多usv系统中的usv进行控制；
25、所述的多usv分布式事件触发误差约束控制器是基于径向基函数神经网络干扰观测器和事件触发机制设计得到的，具体如下：
26、
27、
28、其中，aij为有向图的加权邻接矩阵的元素，对于节点i与节点j，当节点j能够接收节点i的信息时，aij＝1，否则aij＝0；bi为跟随者与领航者通讯拓扑矩阵的元素，如果节点i能够接收到领航者的信息，那么bi＝1，否则bi＝0；η0(t)表示领航者usv的轨迹；是命令滤波的输出值；χi是输入饱和辅助变量；mi为事件触发机制参数，0＜mi＜1；为常数；
29、αi1是虚拟控制律，其表达式为
30、
31、其中，ki1，ki2为正常量；xj1＝ηj，ηj为第j艘跟随者对应的η，η＝[x,y,ψ]t表示usv在惯性坐标系下的位置x,y与姿态ψ；xj2＝vj，vj为第j艘跟随者对应的v，v＝[u,v′,r]t表示运动坐标系下的速度u,v′与角速度r；调节参数kbi(t)＞0为一个可微到二阶的时变连续方程，用于约束补偿轨迹跟踪误差有ιi为正常数；为轨迹补偿误差，为轨迹误差；βi1为轨迹误差补偿信号，满足
32、进一步地，所述usv的运动学和动力学方程如下：
33、
34、
35、式中，η＝[x,y,ψ]t表示usv在惯性坐标系下的位置x,y与姿态ψ，v＝[u,v′,r]t表示运动坐标系下的速度u,v′与角速度r，j(η)是惯性坐标系与运动坐标系之间的转换矩阵；m为质量惯性矩阵，c(v)是科氏力和向心力矩阵，d(v)是水动力阻尼矩阵，g(η)为重力和浮力产生的恢复力和力矩向量，τ＝[τ1,τ2,τ3]t为推进系统产生的控制力τ1,τ2和力矩τ3，w是未知外界干扰。
36、进一步地，在将第i艘跟随者usv的输入饱和表示为sat(τik)＝pi(τik)+qi(τik)之前，需要确定usv系统的饱和函数；usv系统的饱和函数如下：
37、
38、其中，τ1,τ2表示作用在usv上的期望力，τ3表示作用在usv上的力矩；τ1max,τ2max,τ3max为执行机构幅值；sat(τ)＝[sat(τ1),sat(τ2),sat(τ3)]t为usv系统的饱和输出矩阵；sign(·)表示符号函数。
39本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，针对一个多USV系统中的每个USV，建立USV的运动学和动力学方程；所述多USV系统包括1艘领航者和N艘跟随者，跟随者USV的编号分别为1,2,…,N，领航者USV的编号表示为0；多USV系统的通讯方式是有向通讯拓扑；
2.根据权利要求1所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，所述USV的运动学和动力学方程如下：
3.根据权利要求2所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，在将第i艘跟随者USV的输入饱和表示为sat(τik)＝pi(τik)+qi(τik)之前，需要确定USV系统的饱和函数；USV系统的饱和函数如下：
4.根据权利要求3所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，将第i艘跟随者的USV的运动学和动力学方程变换为时，模型自身非线性fi＝-Ci(xi2)xi2-Di(xi2)xi2-gi(xi1)；其中，Ci为第i艘跟随者对应的科氏力和向心力矩阵，Di为第i艘跟随者对应的水动力阻尼
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，所述命令滤波的输出值通过如下公式确定：
6.根据权利要求5所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，所述的多USV分布式事件触发误差约束控制器所对应的事件触发机制如下：
7.根据权利要求6所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，所述的常数和常数ni需要满足
8.根据权利要求7所述的一种考虑输入饱和的多USV事件触发误差约束控制方法，其特征在于，设计多USV分布式事件触发误差约束控制器的过程中，选取指数型障碍李雅普诺夫函数对系统中存在的轨迹补偿误差进行约束，以完成多USV分布式事件触发误差约束控制器的设计证明过程。
...【技术特征摘要】
1.一种考虑输入饱和的多usv事件触发误差约束控制方法，其特征在于，针对一个多usv系统中的每个usv，建立usv的运动学和动力学方程；所述多usv系统包括1艘领航者和n艘跟随者，跟随者usv的编号分别为1,2,…,n，领航者usv的编号表示为0；多usv系统的通讯方式是有向通讯拓扑；
2.根据权利要求1所述的一种考虑输入饱和的多usv事件触发误差约束控制方法，其特征在于，所述usv的运动学和动力学方程如下：
3.根据权利要求2所述的一种考虑输入饱和的多usv事件触发误差约束控制方法，其特征在于，在将第i艘跟随者usv的输入饱和表示为sat(τik)＝pi(τik)+qi(τik)之前，需要确定usv系统的饱和函数；usv系统的饱和函数如下：
4.根据权利要求3所述的一种考虑输入饱和的多usv事件触发误差约束控制方法，其特征在于，将第i艘跟随者的usv的运动学和动力学方程变换为时，模型自身非线性fi＝-ci(xi2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙延超，孙宝贺，陈展翱，陈哲，王卓，许艺瀚，方博，赵梦含，熊程坤，秦洪德，
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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