[发明专利]基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法和控制系统

权利要求书

1.一种基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法，其特征在于，所述无人艇编队包括一个领航无人艇和至少两个跟随无人艇，所述控制方法包括：

在无人艇的工作平面内，建立固定坐标系和单个无人艇的随体坐标系，所述固定坐标系以大地为参考，所述随体坐标系以无人艇船体为参考，通过所述固定坐标系和所述随体坐标系建立单个无人艇的运动学模型，所述领航无人艇和所述跟随无人艇均采用所述运动学模型；

在所述运动学模型的基础上建立所述领航无人艇和所述跟随无人艇位置关系的数学模型；

在所述运动学模型和所述数学模型的基础上，基于虚拟子目标对所述领航无人艇进行队形变换规划，所述虚拟子目标指所述领航无人艇航行过程中下一时刻的位置；

在所述运动学模型和所述数学模型的基础上，基于预先建立的优先级模型和队形调节策略，对所述跟随无人艇进行队形变换规划；

对所述无人艇编队进行反演滑模控制，控制所述跟随无人艇在队形变换过程中的速度；

所述队形调节策略包括：

当d_s＜d₀时，无需编队变化；

当d_s＞d₀时，需要进行编队变换，缩小d_s；

其中，d₀表示所述无人艇编队航行过程中当前时刻以后某一时刻水道的最小宽度，d_s表示当前时刻所述无人艇编队的编队宽度；

所述队形调节策略还包括：

当d_s＞d₀＞2Nr_s时，需要进行编队调节，缩小d_s且保证d_s始终大于2Nr_s；

当d_s＜d₀≤2Nr_s时，需要进行编队调节，缩小d_s且避免所述跟随无人艇之间发生碰撞；

其中，2Nr_s表示临界碰撞值，即N个所述跟随无人艇并列航行并处在最小距离时所述无人艇编队的宽度；

所述优先级模型为：

其中，表示第i个跟随无人艇的距离优先级，表示第i个跟随无人艇的角度优先级，l_iL表示第i艘所述跟随无人艇与所述领航无人艇之间的距离，表示所述领航无人艇相对于第i艘所述跟随无人艇的方位角；

并且，优先考虑所述距离优先级，的数值越大优先级越高，所述距离优先级相等时考虑所述角度优先级，的数值越大优先级越高，各个所述跟随无人艇按照优先级的高低顺序依次进行队形变换；

采用闭环控制的方式对每一跟随无人艇进行反演滑模控制，控制过程包括：

比较该跟随无人艇的实际位姿与期望位姿得出位姿误差；

运动控制器根据所述位姿误差和该跟随无人艇的理想速度生成一速度-减速度控制量，再基于所述速度-减速度控制量调整所述理想速度，得到一控制速度，其中，所述理想速度根据所述期望位姿得出；

控制该跟随无人艇以所述控制速度航行；

所述速度-减速度控制量的计算方式为：

其中，[v_if w_if]^T表示所述速度-减速度控制量，表示所述理想速度，(x_ie,y_ie,θ_ie)表示位姿误差，参数k_il＞0,k_i2＞0,α₁＞1,0＜α₂＜1，s_i是滑模变结构控制设计中选取的滑模变量，δ_i是一个正的小数。

2.如权利要求1所述的基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法，其特征在于，所述运动学模型为：

其中，η=[x y ψ]^T为一无人艇在所述固定坐标系中的惯性位置[x y]^T和航向角ψ，表示惯性速度，V＝[u v r]^T表示无人艇在随体坐标系中的浪涌、摇摆和偏航率，旋转矩阵J(ψ)将所述无人艇的随体坐标系转换为所述固定坐标系，定义为：