[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

说明书

本发明提供了一种基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法，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，固定坐标系以大地为参考，随体坐标系以无人艇船体为参考，并建立单个无人艇的运动学模型；建立领航无人艇和跟随无人艇位置关系的数学模型；基于虚拟子目标对领航无人艇进行队形变换规划，虚拟子目标指领航无人艇航行过程中下一时刻的位置；基于预先建立的优先级模型和队形调节策略，对跟随无人艇进行队形变换规划；对无人艇编队进行反演滑模控制，控制跟随无人艇在队形变换过程中的速度。该方法既能保证无人艇编队的稳定性和鲁棒性，又能有效变换队形，以应对航行至岛屿、狭窄水域等航行环境的情况。

技术领域

本发明涉及无人艇技术领域，具体涉及一种基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法和控制系统。

背景技术

近年来，水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为典型的海上无人智能平台系统，在开发利用海洋方面引起了学者们的高度重视。因为无人艇具有吃水浅、速度快、机动性强等优点，使其在军事、民用领域都扮演着越来越重要的角色，比如在海图绘制、水域环境监测、情报侦察、海洋科研与开发以及海上救援、围捕等领域的应用。但是，随着水域环境的复杂化及任务的多样化，单无人艇的能力往往有限，不能很好的完成任务。相比于单无人艇作业，无人艇集群通过保持预设队形，具有更大的作业范围、更强的容错能力、更低的成本以及更高的资源利用率，对于完成水上任务具有更为重要的意义。这就使得多无人艇协同控制逐渐成为研究的热点。

编队控制是多无人艇协同控制领域中最重要的问题之一，主要有领航-跟随控制方法、基于行为的控制方法、虚拟领航者控制方法、神经网络方法以及图论法等。在这些方法中，领航-跟随控制方法的应用最为广泛，该方法指跟随无人艇有效跟踪领航无人艇的运动轨迹，从而实现稳定的编队队形。

对于领航-跟随控制方法，由于无人艇编队在海洋中执行任务时，会存在风、浪、流的干扰，这些干扰对无人艇高性能航行有很大的影响，不但会降低无人艇上搭载设备的工作效率，还会影响无人艇的航迹，使无人艇不能高精度的跟踪期望轨迹。因此，为了保证无人艇的航行，无人艇控制器需要对无人艇航行状态做出高精度的控制。无人艇控制器将直接决定无人艇能否在期望轨迹运行，是无人艇编队系统的核心。

无人艇控制器的控制算法已经从经典控制算法、现代控制算法发展到如今可不依赖于精确数学模型的智能控制算法，通常包括神经网络控制、模糊控制、自适应控制以及滑模控制等。

滑模控制是指根据系统所期望的动态特性设计一个滑模面，通过滑动模态控制器使系统状态向滑模面快速移动。系统状态到达滑模面后，将继续沿着滑模面滑动至系统平衡点，即完成预期的控制目标。滑模控制算法物理实现简单，对参数变化和扰动不灵敏，因此具有很强的稳定性和鲁棒性，适合应用于非线性系统。但是实际应用过程中的非理想性使得滑模控制的精确度欠佳，系统难以严格地沿着滑模面滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，导致系统发生抖振。并且，现实中无人艇编队常常会航行至岛屿、狭窄水域等环境中，现有的研究甚少考虑到在此情况下无人艇的编队变换。

因此，在滑模控制的基础上，有必要提供一种无人艇编队的控制方法，既能保证无人艇编队的稳定性和鲁棒性，又能控制无人艇编队沿期望轨迹航行，并且能够有效变换队形，以应对航行至岛屿、狭窄水域等航行环境的情况。

发明内容

本发明提供了一种基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法和控制系统，该控制方法和控制系统既能保证无人艇编队的稳定性和鲁棒性，又能控制无人艇编队沿期望轨迹航行，并且能够有效变换队形，以应对航行至岛屿、狭窄水域等航行环境的情况。

为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法，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：