[发明专利]一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构及设计方法

权利要求书

1.一种无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构的设计方法，所述的无人船集群的碰撞自规避编队控制器结构包括避碰和连通保持控制器、协同跟踪控制器、速度转换器、非线性微分跟踪器、扩张状态观测器以及动力学控制器；所述的避碰和连通保持控制器的两个输入端分别与欠驱动无人船的输出端和通讯网络相连、输出端与协同跟踪控制器相连；所述的协同跟踪控制器的另两个输入端分别与通讯网络和欠驱动无人船的输出端相连、输出端连接到速度转换器的输入端；所述的速度转换器的另一个输入端与扩张状态观测器的输出端相连，输出端与非线性微分跟踪器相连；所述的非线性微分跟踪器的输出端接动力学控制器的输入端；所述的扩张状态观测器的一个输入端与动力学控制器的输出端相连、另一个输入端与欠驱动无人船的输出端相连、扩张状态观测器的一个输出端连接到通讯网络、另一个输出端连接到动力学控制器；所述的动力学控制器的输出端与欠驱动无人船的输入端连接；

其特征在于：所述的无人船为欠驱动无人船，所述的欠驱动无人船运动学模型如下：

所述的欠驱动无人船动力学模型如下：

其中，下角标i代表第i艘欠驱动无人船；x_i、y_i、ψ_i∈R分别代表欠驱动无人船在地球坐标系下的x轴、y轴上的位置以及艏摇角；u_i、v_i、r_i∈R分别代表欠驱动无人船在船体坐标系下的纵荡速度、横漂速度和艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir∈R是欠驱动无人船在船体坐标系下的各向惯性系数；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)∈R是欠驱动无人船各向的不确定性；t_iwu、t_iwv、t_iwr∈R代表外界对欠驱动无人船的三向扰动；τ_iu、τ_ir∈R是欠驱动无人船的控制力；

所述的设计方法，包括以下步骤：

A、避碰和连通保持控制器的设计

避碰和连通保持控制器的输入信号有欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i、从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船位置信号x_j、y_j以及给定环境障碍物信息x_k、y_k；经计算，所述的避碰和连通保持控制器的输出信号表示为：

其中，p_i＝(x_i，y_i)是第i艘欠驱动无人船的位置信号，p_ij＝p_i-p_j是i，j两船之间的距离；p_k＝|x_k，y_k)是第k个环境障碍物的位置，p_ik＝p_i-p_k是第i艘欠驱动无人船与第k个障碍物之间的距离；R_c、r_c分别是给定的两艘欠驱动无人船互相避碰的检测距离上、下界；R_o、r₀分别是给定的欠驱动无人船躲避障碍物的检测距离上、下界；R_m、r_m分别是给定的两艘欠驱动无人船触发联通保持的检测距离上、下界；

B、协同跟踪控制器的设计

协同跟踪控制器的输入信号包括避碰和连通保持控制器的输出信号受控欠驱动无人船的位置信号x_i、y_i以及从通讯网络中获取的其他欠驱动无人船的位置和速度信号x_j、y_j、ψ_j、协同跟踪控制器的输出信号e_v表示如下：

式中：

为第i艘欠驱动无人船的跟踪误差，其中e_ij＝p_i-p_j-p_ijd，a_ij＝1代表第j艘欠驱动无人船将信息传给第i艘欠驱动无人船，a_i0＝1代表第i艘欠驱动无人船能够直接获得路径信息，其他情况下a_ij＝0；表示第j艘欠驱动无人船位置的时间导数，即第j艘欠驱动无人船在地球坐标系中的x轴方向速度和y轴方向速度，可由经坐标变换矩阵R_j变换得出；p_ijd为队形信息；为时变队形中时变部分的时间导数；K_1i为设定的控制器增益；Δ_1i为饱和常数；α_is为通讯拓扑上第i艘欠驱动无人船获得路径信息来源的数量；

C、速度转换器的设计

速度转换器的输入信号为协同跟踪控制器的输出信号e_v和观测器的输出信号其输出信号经过下列公式计算得出：

由上式求得：

Δ_ψ＝atan2(sinΔ_ψ,cosΔ_ψ)

进一步计算得到：

式中，V_i＝(V_ix，V_iy)表示欠驱动无人船在地球坐标系下的水平方向和垂直方向速度，由经过坐标变换矩阵R_i得出；Δ_ψ表示欠驱动无人船艏摇角与参考速度方向之间的偏差；k_i为控制转换参数；∈_i为饱和常数；

D、非线性微分跟踪器的设计

非线性微分跟踪器的输入信号为速度转换器的输出信号其输出信号经下式计算得出：

式中，k_i1、k_i2、ρ_i1、ρ_i2、γ_i为设计参数；

E、扩张状态观测器的设计

扩张状态观测器的输入信号为动力学控制器的输出信号τ_i和欠驱动无人船输出的状态信息x_i、y_i、ψ_i；其输出信号由下式计算得出：

式中，η_i＝(x_i，y_i，ψ_i)是第i艘欠驱动无人船的位置和角度；为第i艘欠驱动无人船位置和角度的观测值；为三维观测器增益矩阵；R_i(ψ_i)为坐标变换矩阵；m_i为欠驱动无人船的质量惯性矩阵；

F、动力学控制器的设计

动力学控制器的输入信号包括速度转换器的输出信号非线性微分跟踪器的输出信号扩张状态观测器的输出信号动力学控制器的输出信号τ_i＝(τ_iu，τ_ir)由下式给出：

式中，为欠驱动无人船的观测速度与速度转换器给出的参考速度的差；K_2iu、K_2ir为动力学控制增益；Δ_2iu、Δ_2ir为饱和常数。