[发明专利]多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法

权利要求书

1.多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器的设计方法，所述的多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器包括通讯网络、多个无人船控制器单元和多个领航者控制器单元；所述的多个无人船控制器单元与多个领航者控制器单元分别与通讯网络连接；

所述的无人船控制器单元包括跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器、坐标变换器、控制模块和无人船；跟随者间协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；与领航者协同误差生成器的输入端分别与无人船的输出端以及通讯网络相连；跟随者间协同误差生成器和与领航者协同误差生成器的输出端均与求和器的输入端相连；求和器的输出端与通讯网络和坐标变换器的输入端相连；坐标变换器的输出端与控制模块的输入端相连；控制模块的输出端与无人船的输入端相连；所述的跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器共同组成协同操纵制导模块；

所述的领航者控制器单元包括领航者参数协同误差生成器、协同操纵信息生成器、比例放大器、参考速度生成器、领航者、比较器A、比较器B、积分器A和积分器B；领航者参数协同误差生成器的输入端分别与领航者的输出端和通讯网络相连；协同操纵信息生成器的输入端分别与领航者参数协同误差生成器的输出端、领航者的输出端和通讯网络相连；比较器A的输入端分别与协同操纵信息生成器的输出端以及积分器A的输出端相连；比例放大器的输入端与比较器A的输出端相连；积分器A的输入端与比例放大器的输出端相连；比较器B的输入端分别与积分器A的输出端以及参考速度生成器的输出端相连；积分器B的输入端与比较器B的输出端相连；领航者的输入端与积分器B的输出端相连；所述的领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成领航者协同信息处理模块；所述的比较器A、比例放大器和积分器A组成滤波模块；所述的比较器B、参考速度生成器和积分器B组成路径参数更新模块；

其特征在于：所述的无人船用以下微分方程组描述：

其中，下标i代表编号为i的无人船；x_i,1＝[p_i,q_i,ψ_i]^T表示地球坐标系下无人船的横向位置、纵向位置与船舶航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的坐标变换矩阵，表示为：

x_i,2代表船体坐标系下无人船的速度向量；M_i代表无人船的惯性矩阵；u_i表示无人船的控制输入力矩；f_i(x_i,1,x_i,2)为无人船中的不确定性非线性动态；w_i代表由外部海洋环境产生的扰动；

通讯网络的结构如下：

无人船编队的通讯网络由N个节点组成，其中含有M个无人船节点和N-M个领航者节点，这里的领航者节点个数由编队的期望队形确定；通讯网络结构用图G描述：

其中，集合V代表编队内部包含M艘无人船和N-M个领航者；集合ε表示编号为i的节点与编号为j的节点之间存在通信联系；M艘无人船与N-M个领航者的通讯关系用下面的邻接矩阵A描述：

当a_i,j＝1时，则表示编号为j的节点的信息传递给编号为i的节点，即编号为j的节点是编号为i的节点的邻居；其他情况下a_i,j＝0；

对于编号为i的无人船节点，定义两个集合F_i和L_i，分别代表该无人船节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；

对于编号为j的领航者节点，定义两个集合F_j和L_j，分别代表该领航者节点的邻居无人船集合与邻居领航者集合；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、无人船控制器单元

A1、协同操纵制导模块的设计

协同操纵制导模块由跟随者间协同误差生成器、与领航者协同误差生成器、求和器和坐标变换器组成；

跟随者间协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号x_i,1、与邻居无人船地球坐标系下的位置信号x_j,1,j∈F_i；所述的跟随者间协同误差生成器的输出信号设计为：

其中，g_F(·)是关于x_i,1和x_j,1的函数；

与领航者协同误差生成器的输入信号包括无人船地球坐标系下的位置信号x_i,1和邻居领航者的路径信号η_jr(θ_j),j∈L_i；所述的与领航者协同误差生成器的输出信号设计为：

其中，g_L(·)是关于x_i,1和η_jr(θ_j)的函数，θ_j为领航者的路径参数；

与经过求和器求和：

得到无人船地球坐标系下的协同操纵误差s_i；

将s_ie进行坐标变换，得到协同操纵制导模块的输出信号s_i

s_i＝R^-1(ψ_i)s_ie (5)

其中，R^-1(ψ_i)为R(ψ_i)的逆矩阵；

A2、控制模块的设计

控制模块的输入信号为协同操纵制导模块的输出信号，所述的控制模块的输出信号u_i设计为：

u_i＝g_u(s_i) (6)

其中，g_u(·)是关于s_i的函数；

B、领航者控制器单元

B1、领航者协同信息处理模块的设计

领航者协同信息处理模块由领航者参数协同误差生成器与协同操纵信息生成器组成；

领航者参数协同误差生成器的输入信号包括领航者的路径参数信号θ_j和邻居领航者的路径参数信号θ_r,r∈L_j；所述的领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j设计为：

e_j＝h_e(θ_j,θ_r) (7)

其中，h_e(·)是关于θ_j与θ_r的函数；

协同操纵信息生成器的输入信号包括领航者参数协同误差生成器的输出信号e_j、领航者的路径信号η_jr(θ_j)、领航者的路径参数θ_j和邻居无人船协同操纵制导模块的输出信号s_i,i∈F_j；所述的协同操纵信息生成器的输出信号，即领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j设计为：

其中，μ_j为增益常数，h_a(·)是关于s_i和e_j的函数，为领航者路径信号的导数，为领航者路径参数的导数；

B2、滤波模块的设计

滤波模块由比较器A、比例放大器和积分器A组成；

将积分器A的输出信号ω_j和领航者协同信息处理模块的输出信号υ_j通过比较器A进行比较，比较器A的输出信号通过比例放大器放大λ_j倍，作为积分器A的输入信号；所述的积分器A的输出信号，即滤波模块的输出信号ω_j设计为：

ω_j＝∫λ_j(υ_j-ω_j)dt (9)

B3、路径参数更新模块的设计

路径参数更新模块由比较器B、参考速度生成器和积分器B组成；

将滤波模块的输出信号ω_j与参考速度生成器的输出信号v_s通过比较器B进行对比，比较器B的输出信号作为积分器B的输入信号；所述的积分器B的输出信号，即路径参数更新模块的输出信号θ_j设计为：

θ_j＝∫(v_s-ω_j)dt (10)

以上无人船控制器单元与领航者控制器单元共同构成多参数化路径导引的无人船协同操纵控制器。