[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

说明书

本发明公开了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，所述的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。本发明专门针对欠驱动无人船而提出，故有着更加广阔的利用前景。本发明利用势能函数设计了避碰和连通保持控制器，能够实现编队过程中避免欠驱动无人船与欠驱动无人船之间、欠驱动无人船与环境障碍物之间的碰撞，同时保证欠驱动无人船之间的连通，在实际应用中可极大提高欠驱动无人船舶的安全性。本发明采用输出反馈设计，可以不使用速度传感器而利用观测器获取欠驱动无人船的速度信息，可以在实际应用中节省成本，减小体积。

技术领域

本发明涉及欠驱动无人船编队控制领域，尤其涉及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。

背景技术

对海洋的探索，开发和利用是当前各个国家的发展重点。欠驱动无人船因其具有小型化、轻量化、自主化等特点，是人们探索、开发海洋的重要工具。在一些情况下，单条欠驱动无人船可以完成的任务有限，或是效率低下，而多条欠驱动无人船的协同配合就可以克服以上问题。欠驱动无人船的编队控制作为多欠驱动无人船协同的一种形式，在水文监测、海域搜救、目标拦截等领域有着极大的应用价值。在编队控制中，欠驱动无人船个体之间通过通讯网络传递信息，故需要保持网络连通，同时，欠驱动无人船个体之间的碰撞以及与环境障碍物的碰撞可能会导致欠驱动无人船的损毁，所以也应该避免碰撞。因此对于在欠驱动无人船编队控制中实现碰撞自规避与连通保持的研究有着非常重要的现实意义。

在多个欠驱动无人船编队控制方面，国内外学者已经进行了很多相关研究，并提出了许多控制方法，其中多个欠驱动无人船的协同路径跟踪、协同目标追踪、协同轨迹跟踪等方法的应用最为广泛。从控制器设计方面来看，现有多个欠驱动无人船编队控制方法仍存在着以下不足：第一，现有的欠驱动无人船编队控制研究大多都局限于对全驱动船舶的研究，但是在实际应用中，绝大多数的船舶都不具有侧向推进器，无法获取侧向推力，属于欠驱动系统，故很多现有方法的应用价值较弱。第二，现有欠驱动无人船编队控制研究大多没有考虑实际情况中可能发生的碰撞与超出通讯范围这些情况，而在实际应用中，如果没有采取相应措施，很有可能发生欠驱动无人船之间的碰撞、欠驱动无人船与环境障碍物之间的碰撞等可能损坏欠驱动无人船的情况，另外也有可能因为一些原因导致某条欠驱动无人船超出了通讯范围而失控。第三，现有的很多个欠驱动无人船编队控制研究均是基于状态反馈的基础上开展的，而在实际应用中很难在小型欠驱动无人船上通过传感器获取准确的速度信息。第四，现有欠驱动无人船编队控制研究大多没有考虑欠驱动无人船的控制输入受限问题，在初始时刻以及一些跟踪误差较大的情况下，容易出现输入饱和。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明要提出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，既能适用于欠驱动无人船，又能避免出现输入饱和，并能够实现多条欠驱动无人船编队过程中的碰撞自规避与连通保持。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种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。

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：