[发明专利]一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法

摘要

本发明公开了一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇。本发明的分布式控制方式更为灵活，可以实现对大规模编队集群的有效控制，具有抗个体失效性强、通信开销小、扩展性好等优点，使得该编队控制器更有利于实际应用。本发明在满足了欠驱动无人艇的物理约束的同时，使得暂态控制过程中的控制输入最小化，提高了控制器的性能。本发明有效的降低了控制算法的计算负荷，从而提高了控制器的整体控制性能。

主权项

1.一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器，其特征在于：包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇，所述的分布式协同制导模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端以及通讯网络相连；指令调节器的输入端分别与分布式协同制导模块的两个输出端、欠驱动无人艇的输出端与神经动力学优化模块的输出端相连；降维扰动观测器的输入端与欠驱动无人艇的输出端相连；速度控制模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端、指令调节器的两个输出端以及降维扰动观测器的两个输出端相连；速度控制模块的两个输出端分别与欠驱动无人艇的输入端相连；所述的欠驱动无人艇的运动学和动力学模型用下式表示：其中下标i代表编号为i的欠驱动无人艇；pi表示在地球坐标系下欠驱动无人艇的位置；ψi代表欠驱动无人艇航向；R(ψi)为地球坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，并表示为：u_i、v_i、r_i分别代表船体坐标系下的欠驱动无人艇纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iu、m_ir分别代表欠驱动无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；分别表示欠驱动无人艇纵向的推力和艏摇方向上的力矩，由于欠驱动无人艇没有侧向推力，则f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别表示纵向、侧向以及艏摇方向上由于向心力、阻尼力以及欠驱动无人艇未建模动态所产生的欠驱动无人艇不确定性；分别为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇纵向、侧向方向上产生的力；为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇艏摇角方向上产生的力矩；所述的通讯网络的结构如下：设一个通讯网络由N个节点组成，其中包含M个欠驱动无人艇节点和N‑M个虚拟领导者节点，虚拟领导者节点个数由期望的编队队形决定；通讯网络结构用图描述：其中：式中：v代表M个欠驱动无人艇和N‑M个虚拟领导者组成的节点集合；ε表示第i个节点和第j个节点之间存在信息传递；M艘欠驱动无人艇与N‑M个虚拟领导者的通讯关系用图的邻接矩阵表示：其中，如果aij＝1表示第j个节点的信息传递给第i个节点，即第j个节点是第i个节点的邻居节点，其他情况aij＝0。