[发明专利]一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法

摘要

本发明公开了一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船。本发明通过将人工势能函数引入到分布式路径操纵控制器设计中，设计了具有避碰、避障以及连通性保持的分布式协同路径操纵控制器，从而更好地适应在实际中复杂多变的海洋情形。本发明仅基于位置和偏航角信息，能够实现对欠驱动无人船模型不确定性以及复杂海况带来的未知扰动的统一估计。同时，有限时间收敛的特性可以使协同控制器获得更好的观测效果及抗干扰能力，扩展了现有分布式协同路径操纵控制器的应用范围。

主权项

1.一种有限时间收敛无人船协同控制器的设计方法，其特征在于：所述有限时间收敛无人船协同控制器的结构包括有限时间扩张状态观测器、有限时间分布式路径操纵制导模块、非线性跟踪微分器、抗干扰动力学控制模块和欠驱动无人船，所述有限时间扩张状态观测器的输入端分别与欠驱动无人船、抗干扰动力学控制模块的输出端相连，所述有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端与欠驱动无人船的输出端相连，所述非线性跟踪微分器的输入端与有限时间分布式路径操纵制导模块的输出端相连，所述抗干扰动力学控制模块的输入端分别与非线性跟踪微分器和有限时间扩张状态观测器的输出端相连；所述的有限时间分布式路径操纵制导模块的输入端还与通讯网络连接；所述设计方法，包括以下步骤：A、建立欠驱动无人船模型所述的欠驱动无人船模型用以下微分方程组描述：其中，下标i代表编号为i的欠驱动无人船；是位置‑偏航角向量，其中x_i和y_i分别是地球坐标系中的x轴坐标和y轴坐标；ψ_i表示偏航角；表示在船体坐标系中表示速度的向量；其中u_i表示前向速度，v_i表示侧向速度，r_i表示艏摇角速度；表示包括Coriolis力、向心力和流体阻尼效应的非线性向量；其中m_i表示欠驱动无人船的质量，I_iz是关于z轴的惯性矩，分别表示在前向、侧向和艏摇方向的流体力学导数；τ_iu和τ_ir分别是欠驱动无人船前向和艏摇方向的控制输入；τ_iwu(t)、τ_iwv(t)、τ_iwr(t)分别表示在前向、侧向和艏摇方向的时变环境扰动；是由给出的旋转矩阵，其中：B、有限时间扩张状态观测器的设计有限时间扩张状态观测器的输入信号为欠驱动无人船在地球坐标系下的位置信号与欠驱动无人船的控制输入信号τ_iu和τ_ir，输出信号包括观测到的欠驱动无人船的速度信号和观测到的扰动信号所设计的扰动观测器表示为：式中，其中是位置x方向的观测值，是位置y方向的观测值，是航向角ψ的观测值；其中是纵向速度u_i的观测值，是横向速度v_i的观测值，是艏摇角速度r_i的观测值；其中是u方向不确定性的观测值，是v方向不确定性的观测值，是r方向不确定性的观测值；τ_i是欠驱动无人船的控制输入；是恒定增益；是设计参数；C、有限时间分布式路径操纵制导模块的设计有限时间分布式路径操纵制导模块的输入信号是欠驱动无人船在地球坐标系下的参考位置p_kr和欠驱动无人船在地球坐标系下的实时位置p_i，输出信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，所设计的有限时间分布式路径操纵制导模块表示为：式中，均是正增益矩阵：均是正常数；均是设计参数；定义人工势能函数其中，是第k个虚拟领导者与其他虚拟领导者的协调误差，当a_k0＝1时，表示第k个虚拟领导者访问超级领导者的路径信息；D、非线性跟踪微分器的设计非线性跟踪微分器的输入信号是欠驱动无人船的运动制导信号α_i，其输出控制信号经如下公式计算得出：其中，和分别是α_i和估计值；λ_i1＞0,λ_i2＞0,λ_i3＞2，均为设计参数；E、抗干扰动力学控制模块的设计抗干扰动力学控制模块的输入信号分别是欠驱动无人船制导信号和速度信号u、v、r以及观测到的扰动信号输出信号是欠驱动无人船的控制输入信号τ_i，由下式表示：其中，均是动力学控制增益矩阵，是设计参数。