[发明专利]一种无人船的分布式队列有限时间控制方法

说明书

本发明公开了一种无人船的分布式队列式有限时间控制方法，属于一种无人船的分布式队列式有限时间控制方法，包括以下步骤：建立无人船编队运动学和动力学模型；采用视线法的策略来定义无人船编队之间的相对位置和角度，利用障碍李亚普诺夫函数设计满足领航无人船和跟随无人船之间的最小避碰距离和最大有效通讯距离约束条件；根据期望的位置和艏向信息得到的误差信息设计虚拟控制律；基于虚拟控制律、神经网络自适应控制、扰动观测器，及全状态反馈的全驱动无人船设计输出约束编队控制器，实现无人船的分布式队列式有限时间控制，通过稳定性证明了全驱动无人船的编队误差在有限时间均能收敛到零附近的任意小邻域内。

技术领域

本发明涉及无人船编队领域，尤其涉及一种无人船的分布式队列有限时间控制方法。

背景技术

当无人船编队系统从宽广海域行驶至狭窄海域时，需要进行队形的切换，这时不仅要考虑对领航者的跟踪性能，还要保证领航者和跟随者之间的编队误差不能过大。队形切换过程中，当两船之间的距离过大时，将会超出传感器的通信范围，导致通信失败的问题或者碰撞航道；当两船之间的距离过小时，将会小于船舶之间的安全距离，容易产生船体之间碰撞的危险。而目前针对无人船编队控制，大部分只考虑了编队系统最终能否达到期望的队形，没有考虑编队误差的约束问题。预设性能函数和障碍李雅普诺夫函数可以有效解决控制过程中的误差约束问题，并且已经用于船舶路径跟踪控制、机器人控制和无人机控制。有学者使用预设性能函数，通过坐标转换把视距法的距离和角度误差约束在期望的范围内，解决了全驱动无人水面船排式编队过程中的暂态性能约束问题，但是控制器设计繁琐。对于船舶控制中输出约束的研究，对数型障碍李雅普诺夫函数是研究的热点，将其应用于全驱动无人船的轨迹跟踪控制，解决了对称输出约束的问题；目前大多数关于船舶运动控制输出约束的研究都是单一系统的约束控制，对船舶编队控制的输出约束研究成果依然较少。

对于船舶有限时间控制的研究依旧大都集中在单船的控制研究上。早期有学者研究了模型参数摄动和恒定未知洋流下欠驱动无人水下航行器的轨迹跟踪控制问题。采用比例积分微分滑模控制的等效控制方法设计了运动学控制器。再次，利用一阶滑模面和二阶滑模面分别设计了两个动态控制器，保证所有跟踪误差在有限时间内全局收敛。随后的研究针对输入饱和和未知干扰，采用积分滑模控制和齐次扰动观测器对无人船的有限时间轨迹跟踪控制进行了研究，使用光滑函数自适应逼近输入饱和非线性，通过构造齐次扰动观测器，可以在较短的时间内准确地估计总的不确定性。理论分析表明，整个闭环跟踪系统是全局有限时间稳定的，仿真研究证明了该方法的有效性和优越性。近期基于二阶快速终端滑模研究了在模型不确定性和外部干扰下的全驱动船水下航行器轨迹跟踪，所设计的二阶滑模面能够实现快速收敛且避免奇异值的出现。Elmokadem考虑了欠驱动水下航行器在非线性动态、未建模动态、系统不确定性和外部环境干扰下的横向运动控制，使用终端滑模控制和快速终端滑模控制两种方法实现了轨迹跟踪控制，虽然能够保证系统在有限时间内收敛，但是会出现奇异值的问题；为了减弱环境干扰和模型不确定性带来的影响，需要已知它们的上界值，这在实际中是很难得到的。除此之外，上述控制器的设计都是针对单船，由于编队控制系统的复杂性，大部分针对单体系统的控制方法无法直接应用于多体系统的研究。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种无人船的分布式队列有限时间控制方法，包括以下步骤：

建立无人船编队运动学和动力学模型；

基于无人船编队运动学和动力学模型，采用视线法的策略来定义无人船编队之间的相对位置和角度，利用障碍李亚普诺夫函数设计满足领航无人船和跟随无人船之间的最小避碰距离和最大有效通讯距离约束条件；

在运动学和动力学模型的基础上，得到无人船编队的领航无人船和跟随无人船之间的相对位置和角度，在满足领航者和跟随者无人船之间的最小避碰距离和最大有效通讯距离约束条件下，根据期望的位置和艏向信息得到的误差信息设计虚拟控制律；

基于动力学模型中的不确定项，采用径向基神经网络设计补偿反馈控制；