[发明专利]考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法

权利要求书

1.考虑时变漂角与姿态调节的无人艇群编队协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立统一的无人艇群编队的图论表示方法；

步骤2：建立统一的无人艇三自由度动力学模型和运动学模型；

步骤3：根据已经规划的无人艇群编队路径信息，构建无人艇的控制目标，包括无人艇的航向角、位姿、速度；

步骤4：根据已建立的动力学模型和运动学模型，构建模型不确定性和外界扰动估计的扩张观测器；

步骤5：根据已经建立的扩张观测器和控制目标，建立无人艇群编队协同自抗扰控制律；

所述步骤1中的图论表示方法为：

无人艇群构建成为一个邻接图，采用图P表示，该邻接图为一个无向图，图P使用点线进行表示，即P:＝{V,E}，其中V为顶点集合即为单艇个数，表示为V＝{1,...,N}，N为顶点个数，E为邻接图中边的集合，表示为E＝{(i,j)|||q_i-q_j||≤κ；i,j∈Vi≠j}，q_i，q_j为顶点位置坐标，κ为相邻两个无人艇间的最大距离偏差，无人艇i的相邻艇定义为N_ij(P):＝{j|(i,j)∈E}；

所述步骤2中的无人艇三自由度动力学模型和运动学模型具体为：

运动学模型：

动力学模型为：

式中p_i＝[x_i,y_i]^T为第i个无人艇质心在全局坐标系下的坐标，为p_i关于时间的导数，θ_i为方向角，为θ_i关于时间的导数，u_i,v_i,r_i分别代表无人艇纵荡速度、横荡速度、偏航角速度，为u_i,v_i,r_i关于时间的导数，R_i(θ_i)为中间变量，表示旋转矩阵，I_iu，I_iv，I_ir为三个方向的惯量，f_iu，f_ir为控制量输入，d_iwu，d_iwv，d_iwr表示外界因素引起的扰动和模型的不确定性分量，g_iu(u_i,v_i,r_i)，g_iv(u_i,v_i,r_i)，g_ir(u_i,v_i,r_i)表示非线性的阻尼矩阵，外界因素包括风、水浪；

所述步骤3中控制目标具体表达为：

基于一个包含m个跟随者和N-m个虚拟领航者的无人艇的编队，跟随者编号为1～m，虚拟领航者编号为1～N-m，虚拟领航者沿着规划的参数路径运行，路径信息定义为为轨迹规划的参量，为轨迹规划的参量表示的无人艇k坐标，分别为无人艇k的x,y坐标，其中k＝1,…,N-m为虚拟领航者标号，为获取路径的详细信息及变化规律，定义路径的偏导数为并设定与有界，选取全局的领航者速度更新为：

为虚拟领航者的速度标量，v_g为跟踪所需参考速度；

利用漂角对无人艇的期望航向进行实时修正，漂角定义如下：

β_i＝arctan(v_i/u_i)，

β_i表示为第i个无人艇的漂角，定义ξ_d为期望航向角，由于漂角的存在，重新定义期望航向为

ξ_dai＝ξ_di-β_i

ξ_di为第i个无人艇期望航向角，ξ_dai为采用漂角进行修正后第i个无人艇的期望航向角，为了使得无人艇编队实现路径跟踪，速度跟踪，姿态跟踪，时变漂角调整的目的，定义了如下控制目标：

定义第i个无人艇与领航者的路径跟踪目标如下：

式中为领航者k的权值，并有为辅助调整增广矩阵，为辅助变量，μ₁为常量，表示容许的跟随误差值；

虚拟领航者k速度跟随误差定义如下：

式中为虚拟领航者k的速度标量，μ₂为虚拟领航者的速度容许误差；

姿态误差定义如下：

式中为理论偏转，表示与领航者之间姿态偏差导数，μ₃为姿态误差容许值；

为实现无人艇群利用漂角补偿对航向角进行自适应修正，无人艇群航向角容许误差定义如下：

式中ξ_i为无人艇i的期望航向角，为无人艇i的漂角关于时间的导数，μ₄为漂角误差容许值。