[发明专利]一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法

说明书

本发明公开了一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船。本发明通过将人工势能函数引入到分布式路径操纵控制器设计中，设计了具有避碰、避障以及连通性保持的分布式协同路径操纵控制器，从而更好地适应在实际中复杂多变的海洋情形。本发明仅基于位置和偏航角信息，能够实现对欠驱动无人船模型不确定性以及复杂海况带来的未知扰动的统一估计。同时，有限时间收敛的特性可以使协同控制器获得更好的观测效果及抗干扰能力，扩展了现有分布式协同路径操纵控制器的应用范围。

技术领域

本发明涉及无人船控制领域，特别是一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法。

背景技术

海洋占地球表面积的71％，因其蕴含极其丰富的能源以及具有重要的战略意义，成为各大国之间博弈的焦点，各国都致力于海洋装备的研究。其中无人船在部队两栖登陆作战、海陆空协同、海事巡航监管、海洋数据测量等军事和民用领域有着广泛的应用并取得巨大的成功，成为了一个重要的研究方向。单个无人船作业能力有局限性，因此可以考虑智能无人船编队协同作业，从而提高工作能力与工作效率。特别是随着通信技术，人工智能技术和智能控制技术的蓬勃发展，多个无人船的编队控制已经成为了一个热门的研究领域，其中协同路径操纵作为一种有效的编队控制方法引起了广泛的关注。

在协同路径操纵中，需要多个无人船沿预定义的参数化路径移动，同时保持期望的几何队形。目前，有很多控制技术用于无人船编队的协同路径操纵。但是，现有技术仍然存在以下问题：

第一，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，大多没有考虑避碰和连通性保持问题。而从实际角度来看，海洋中存在许多障碍，其环境复杂多变，所以要求每艘船必须做出反应，从而防止与其它船或者障碍物发生碰撞。此外，无人船的通信范围可能受到通信设备的限制，当船不在有效通信范围内时，会导致多无人船无法完成既定的协同路径操纵任务。

第二，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，大多没有考虑再有限的时间内形成预期的效果。有限时间控制可以使系统能够获得更快的收敛速度，更好的鲁棒性及抗干扰能力。因此，有限时间收敛的无人船编队协同路径操纵控制可以使无人船编队更好地适应复杂的海上状况。

第三，在现有的无人船协同路径操纵控制方法中，需要为每艘无人船预先指定一条参数化路径，这会导致网络带宽需求增大以及路径规划成本提高。尽管少量研究提出的分布式路径操纵方法，但其仅仅适用于全驱动无人船，无法应用于欠驱动无人船。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要设计一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，不仅能够实现有限时间收敛欠驱动无人船分布式路径操纵控制，还能避免碰撞和保持连通性，实现无人船编队在复杂海况的协同控制。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船，所述有限时间扩张状态观测器的输入端分别与欠驱动无人船、抗干扰动力学控制模块的输出端相连，所述有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端与欠驱动无人船的输出端相连，所述非线性跟踪微分器的输入端与有限时间分布式路径操纵制导模块的输出端相连，所述抗干扰动力学控制模块的输入端分别与非线性跟踪微分器和有限时间扩张状态观测器的输出端相连；所述的有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端还与通讯网络连接；

所述设计方法，包括以下步骤：

A、建立欠驱动无人船模型

所述的欠驱动无人船模型用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的欠驱动无人船；