[发明专利]基于3D映射制导的USV-UAV协同路径跟踪自适应控制器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于3D映射制导的USV(Unmanned aerialvehicle)‑UAV(Unmanned aerial vehicle)协同路径跟踪自适应控制器设计方法，包括以下步骤：S1、建立无人船‑无人机协同的系统模型；S2、构建无人船和无人机之间的有效关联；S3、设计无人船‑无人机位置控制器和自适应律；S4、设计无人船‑无人机姿态控制器和自适应律；S5、控制无人船‑无人机实现协同路径跟踪控制任务。本发明能将水面参考路径信息等量映射到空间参考平面上，在无人船‑无人机之间构建有效关联，本发明能同时为无人船‑无人机系统进行控制器设计，并且采用模糊逻辑系统和动态面技术处理无人船‑无人机协同系统中的结构不确定项和计算爆炸问题。本发明能够提升无人船‑无人机在协同路径跟踪方面的自动性。

技术领域

本发明涉及机器人协同控制领域，尤其涉及一种基于3D映射制导的USV-UAV协同路径跟踪自适应控制器设计方法。

背景技术

ILOS制导算法在船舶和无人机运动控制领域均具有广泛的应用。无人船在续航和载荷能力上优于无人机，无人机在速度和观测能力上优势明显。因此，相对于单个的无人船或无人机，由无人船搭载无人机执行海事任务更具灵活性、实用性和可扩展性，它能够充分发挥空海协同优势。但是在现有研究成果中，主要针对同构智能体以及1阶/2阶异构智能体进行协调控制研究，未考虑无人船-无人机的实际工程情况。在陆空协调控制方面取得一系列成果，但是对于无人船-无人机多以遥控技术来实现协同航行，未能形成完备的控制理论体系。此外，ILOS制导算法是基于前向视距进行规划艏向参考信号，在转向点处容易发生实际路径超调现象。

基于以上分析，基于ILOS制导的无人船或无人机路径跟踪控制算法在两者协同控制任务中主要存在以下缺陷：ILOS制导算法在转向点附近易发生超调现象，影响控制性能；LOS制导算法无法在无人船和无人机之间构建有效的联系，导致无人船和无人机无法实现自动协同路径跟踪控制任务。

发明内容

本发明提供一种基于3D映射制导的USV-UAV协同路径跟踪自适应控制器设计方法，以克服以上问题。

本发明包括以下步骤：

S1、建立无人船-无人机协同的系统模型，作为后续步骤所设计控制器的被控对象；

S2、构建无人船和无人机之间的有效关联，通过3D映射制导，将位置信息等量映射到无人机空间参考平面上，得到水平面上无人船的参考航向和空间面上无人机的参考航向；所述位置信息为逻辑虚拟小船为无人船规划的期望航线的位置信息；

S3、设计无人船-无人机位置控制器和自适应律，减小无人船-无人机的位置误差，引导无人船-无人机跟踪到参考位置，并通过非线性解耦技术，对位置控制器进行解耦，得到无人机的参考横摇角和参考纵摇角；

S4、设计无人船-无人机姿态控制器和自适应律，减小无人船-无人机的姿态误差；

S5、控制无人船-无人机实现协同路径跟踪控制任务。

进一步地，S1无人船-无人机协同的系统模型的公式为：