[发明专利]一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法

说明书

本发明公开了一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，包括以下步骤：构建水面无人艇的动态模型；定义第i个水面无人艇与其领导者之间的距离变量；设计水面无人艇编队距离误差与方位角误差的性能函数，采用tan型障碍李雅普诺夫函数确保距离误差与方位角误差满足暂态性能的约束条件；设计第i个水面无人艇的速度估计器；运用反步设计法针对第i个水面无人艇的距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器设计；在控制器设计中运用动态面技术避免对虚拟控制器求导。本发明能避免水面无人艇与其领导者发生碰撞，编队误差满足预设的暂态性能，控制效果佳。

技术领域

本发明涉及水面无人艇的编队控制领域，特别涉及一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法。

背景技术

近些年来，水面无人艇的编队控制越来越成为研究的热点，具有一定编队结构的一群水面无人艇在完成某些复杂危险操作时相比单个水面无人艇效率更高，诸如目标搜寻、环境保护、资源测量等。在众多的编队结构中，领导者-跟随者编队结构因为其结构简单并易于扩展，因而得到了更多的关注，目前关于此编队结构已有一定的研究成果。在基于输出反馈的领导者-跟随者编队结构中，每个水面无人艇设计各自的速度估计器，传统的速度估计器采用高增益的设计方法，由于高增益估计器本身是线性的，所以对于非线性不确定系统存在缺陷，而水面无人艇正是高度非线性系统。

由于每个水面无人艇需要利用通讯获取其领导者和跟随者信息，而通讯范围却是有限的，因此所设计的控制器应使得在编队运动的整个过程中每个水面无人艇都能始终利用通讯获取其领导者和跟随者信息，同时还需要与其领导者保持一定的安全距离以避免发生碰撞。性能受限的设计方法，可以解决这个问题，具体的设计方法为设计常数上下边界，以及转换函数，使得所控制的状态维持在此边界之中，此方法只能保证稳态的性能。在实际的应用中暂态性能也是需要考虑的问题，因为若编队误差收敛太慢则每个水面无人艇需要更长的时间才能达到其期望位置，而编队误差的超调量过大，则可能会导致每个水面无人艇在运动过程与其领导者发生碰撞。因此需对编队误差的暂态性能，如收敛速度与超调量等进行限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，本方法针对模型不确定的水面无人艇设计编队控制器，既能保证在领导者-跟随者编队结构中，每个水面无人艇都能始终利用通讯获取其领导者与跟随者的信息，同时保证了编队误差的暂态性能。

为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：

一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法，包含以下步骤：

步骤(1)：建立领导者-跟随者编队结构中水面无人艇的动态模型；

步骤(2)：定义领导者-跟随者编队结构中第i个水面无人艇与其领导者之间的角度和距离变量d_i,i＝1,2,3...N,并确保距离变量d_i满足水面无人艇的通讯约束条件，即第i个水面无人艇能够利用通讯获取其领导者与跟随者的信息；

步骤(3)：根据领导者-跟随者编队距离误差e_di和方位角误差e_ψi的约束条件,设计指数递减的性能函数β_ji，采用tan型障碍李雅普诺夫函数确保编队距离误差e_di和方位角误差e_ψi满足暂态性能的约束条件；

步骤(4)：领导者-跟随者编队中第i个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的位置信息，并结合自身信息采用RBF神经网络设计其速度估计器；

步骤(5)：利用步骤(4)第i个水面无人艇速度估计值，运用反步设计法针对第i个水面无人艇的距离误差系统和方位角误差系统进行虚拟控制器设计；

步骤(6)：领导者-跟随者编队结构中每个水面无人艇利用通讯获取其领导者与其跟随者的信息，在控制器设计中运用动态面技术避免对虚拟控制器求导；