[发明专利]一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法

权利要求书

1.一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器的设计方法，所述的控制器包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇，所述的分布式协同制导模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端以及通讯网络相连；指令调节器的输入端分别与分布式协同制导模块的两个输出端、欠驱动无人艇的输出端与神经动力学优化模块的输出端相连；降维扰动观测器的输入端与欠驱动无人艇的输出端相连；速度控制模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端、指令调节器的两个输出端以及降维扰动观测器的两个输出端相连；速度控制模块的两个输出端分别与欠驱动无人艇的输入端相连；

所述的欠驱动无人艇的运动学和动力学模型用下式表示：

其中下标i代表编号为i的欠驱动无人艇；p_i表示在地球坐标系下欠驱动无人艇的位置；ψ_i代表欠驱动无人艇航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，并表示为：

u_i、v_i、r_i分别代表船体坐标系下的欠驱动无人艇纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir分别代表欠驱动无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；τ_iu、τ_ir分别表示欠驱动无人艇纵向的推力和艏摇方向上的力矩，由于欠驱动无人艇没有侧向推力，则τ_iv＝0；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别表示纵向、侧向以及艏摇方向上由于向心力、阻尼力以及欠驱动无人艇未建模动态所产生的欠驱动无人艇不确定性；τ_iwu、τ_iwv分别为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇纵向、侧向方向上产生的力；τ_iwr为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇艏摇角方向上产生的力矩；

所述的通讯网络的结构如下：

设一个通讯网络由N个节点组成，其中包含M个欠驱动无人艇节点和N-M个虚拟领导者节点，虚拟领导者节点个数由期望的编队队形决定；通讯网络结构用图描述：

其中：

v＝{n₁，...，n_N}

ε＝{(n_i，n_j)∈v×ν}

式中：v代表M个欠驱动无人艇和N-M个虚拟领导者组成的节点集合；ε表示第i个节点和第j个节点之间存在信息传递；M艘欠驱动无人艇与N-M个虚拟领导者的通讯关系用图的邻接矩阵表示：

其中，如果a_ij＝1表示第j个节点的信息传递给第i个节点，即第j个节点是第i个节点的邻居节点，其他情况a_ij＝0；

其特征在于：所述的设计方法包括以下步骤：

A、分布式协同制导模块的设计

分布式协同制导模块的输入信号包括欠驱动无人艇的位置信号p_i，邻居欠驱动无人艇的位置信号参考路径信息所述的分布式协同制导模块的输出信号u_ic、r_ic设计为：

其中，h(·)是关于的p_i、p_j、ν_j、v_s函数，其中ν_j是邻居欠驱动无人艇的速度向量，为参考路径的导数，v_s为参考速度；通过改变本艇与邻居欠驱动无人艇或邻居虚拟领导者的通讯网络结构，形成不同期望的分布式编队队形；

B、指令调节器的设计

指令调节器的输入信号为分布式协同制导模块的输出信号u_ic、r_ic以及欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，输出信号为满足欠驱动无人艇约束条件下最优的制导指令信号u_io、r_io，所设计的指令调节器表示为：

其中，u_io、r_io为优化后的制导指令信号；u_ic、r_ic为优化前的制导指令信号；ρ_i为考虑状态约束和输入约束后的上下界，λ_i1、λ_i2、λ_i3、λ_i4为权值，E_imax为最大能量约束；

C、降维扰动观测器的设计

降维扰动观测器的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i以及控制输入信号τ_iu、τ_ir，所设计的降维扰动观测器表示为：

其中，d_iu、d_ir是降维扰动观测器的辅助状态；为σ_iu、σ_ir的估计值，σ_iu、σ_ir分别表示为σ_iu＝f_iu(·)+τ_iwu、σ_ir＝f_ir(·)+τ_iwr；c_iu、c_ir为观测器增益；

D、速度控制模块的设计

速度控制模块的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，指令调节器的两个输出信号以及降维扰动观测器的两个输出信号，速度控制模块的输出信号τ_iu、τ_ir设计为

其中，τ_iu、τ_ir为速度控制模块的两个输出信号，同时作为欠驱动无人艇的两个输入信号；∈_i1、∈_i2为正常数；k_iu、k_ir为速度控制增益。