[发明专利]一种基于有限时间不确定观测器的多无人船编队固定时间控制方法

说明书

本发明提供一种基于有限时间不确定观测器的多无人船编队固定时间控制方法，包括：基于未知扰动和未建模动态，构建无人船编队系统中的领航船、跟随船数学模型以及编队模型；将外界未知扰动项和未知水动力系数项视为集总不确定项，设计有限时间不确定观测器，对包含所述集总不确定项的无人船编队系统进行精准而快速的观测和补偿；将固定时间控制思想融入至非奇异终端滑模技术，设计具有完全固定时间稳定特性的非奇异终端滑模；基于所述有限时间不确定观测器和所述非奇异终端滑模，设计固定时间无人船编队控制策略。本发明的技术方案确保了编队跟踪控制系统的收敛速度和收敛精度，并克服了传统滑模策略中的奇异性和收敛速度慢的问题。

技术领域

本发明涉及多无人船编队协同控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于有限时间不确定观测器的多无人船编队固定时间控制方法。

背景技术

近些年，水面无人艇(Unmanned surface vehicle,USV)在军事和民用领域扮演的角色越来越重要，其可遂行情报侦察、水域环境检测、海图绘制等任务。但是，当面临复杂的水域环境以及多样性的作业任务时，单个USV显得势单力薄，而多USV协同控制因其具有效率高、覆盖广、鲁棒性强等优势逐渐成为研究的热点。在多USV协同控制领域，研究热点之一便是编队控制，主要策略有：图论、基于行为的控制策略、虚拟领航者、神经网络和领航—跟随控制策略等。在上述几种策略中，领航—跟随控制策略具有控制结构简单、可扩展性好等优势，因而得到了更加广泛的应用。该策略中，跟随USV只需接收领航USV的动态信息，便能够实现稳定的编队队形。

领航—跟随USV编队控制系统中，其稳定性将会受到复杂的外界环境扰动影响(主要为水域环境中的风、浪、涌等干扰)，这给USV编队的稳定控制带来了极大的困难。滑模控制技术因其具有较强的抗不确定性和抗干扰性，已经在随机系统、刚体系统、海洋装备等领域得到了较为广泛的应用。常见的滑模技术主要有传统的渐进收敛滑模、积分滑模、终端滑模、非奇异终端滑模等。为了进一步处理复杂的外界扰动，以前的研究主要采用了如非线性扰动观测器、降维扰动观测器等。近些年，有限时间扰动观测器成为研究热点之一。针对存在模型不确定项和复杂海洋扰动影响的领航-跟随无人船编队系统，将反步控制技术、高增益观测器技术和最小学习参数算法相结合的一种带有输出反馈的控制器被设计出来，通过简化运算过程，提高系统的鲁棒性。研究人员针对未知系统参数和存在环境扰动的问题，设计了一种基于参数估计和上限估计的滑模控制方案，针对领导-跟随编队构型，利用坐标变换和反步技术对其位置和姿态的动态方程进行分析。针对模型存在不确定参数和未知扰动的编队系统，设计了一种分布式编队控制器，该控制器不仅能够有效维持编队结构，而且能够对跟踪误差的瞬态响应性能进行约束，避免了相邻无人船之间的碰撞问题。

在领航—跟随USV编队控制中，为了更好地保证编队系统的响应特性，收敛速率是首要考虑的控制指标。早期的研究者针对一阶多智能体系统的线性一致性拓扑，提出了代数连通图的概念，并运用渐进收敛算法证明了其有效的收敛性。然而，渐进收敛算法存在收敛时间不可预测的不足，导致了系统稳定性的不可预测。鉴于此，随后的研究者更多采用有限时间收敛算法，求解单智能体或者多智能体编队的收敛性问题，该算法极大改善了以往算法的跟踪精度和收敛速度。近几年，作为有限时间算法的扩展，固定时间控制算法逐渐被引入多智能体编队控制领域。固定时间控制算法能够实现有限时间收敛，并且其收敛时间的上界可以通过数学方法计算得到。

发明内容

根据上述提出针对复杂环境下领航-跟随无人船编队系统的跟踪控制问题，而提供一种基于有限时间不确定观测器的多无人船编队固定时间控制方法。本发明结合有限时间不确定观测器和非奇异终端滑模技术，设计固定时间控制策略。该策略确保了编队跟踪控制系统的收敛速度和收敛精度，并克服了传统滑模策略中的奇异性和收敛速度慢的问题。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于有限时间不确定观测器的多无人船编队固定时间控制方法，所述方法包括：

S1、基于未知扰动和未建模动态，构建无人船编队系统中的领航船、跟随船数学模型以及编队模型；