[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

说明书

本发明公开了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，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。本发明的分布式控制方式更为灵活，可以实现对大规模编队集群的有效控制，具有抗个体失效性强、通信开销小、扩展性好等优点，使得该编队控制器更有利于实际应用。本发明在满足了欠驱动无人艇的物理约束的同时，使得暂态控制过程中的控制输入最小化，提高了控制器的性能。本发明有效的降低了控制算法的计算负荷，从而提高了控制器的整体控制性能。

技术领域

本发明涉及无人艇控制领域，特别是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。

背景技术

中国专利CN 107065877 A提供了一种基于相对位置的分布式编队球形包围追踪未知目标的方法，编队包围控制能在三维空间中实现，该方法简单可靠，可用于海洋、星球的协同探索等领域。

中国专利CN 105584599 A公开了一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测系统，其包括无人艇编队运动控制系统、海洋环境监测传感系统、无线通信系统的无人艇以及远程海洋环境监测系统；各无人艇编队运动控制系统按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹运动；各海洋环境监测传感系统实时将采集到的海洋环境监测数据向远程海洋环境监测系统发送；远程海洋环境监测系统实时形成可视化界面并能够对各无人艇实施远程控制。

但上述专利仍然存在以下问题：

第一，现有无人艇编队控制方法中，网络中每一艘无人艇大多都需要直接获取参考路径信息，即是一种集中式控制方式。这种方式要求控制中心结点具有较大的通讯带宽，这在编队群体规模大、任务及环境复杂等实际情形下很难满足。

第二，现有无人艇编队控制方法中，所设计制导信号大多未考虑系统状态约束、输入约束以及能量约束等约束条件。这样所设计出的运动学制导律可能会违反无人艇的物理特性约束，使得控制器性能降低，从而影响无人艇编队控制效果。

第三，现有无人艇编队控制方法中，无人艇动力学系统的不确定性估计与控制多采用神经网络方法，对未知不确定性进行在线逼近。但在实际应用中，神经网络存在计算负担大、调节参数多等缺点，不利于工程实现。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种既能减少计算负荷、易于工程实现又能极大地提高控制器整体性能的网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器，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：