[发明专利]一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法及系统

权利要求书

1.一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法，其特征在于，包括：

建立多无人艇系统的领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型；

根据所述领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型，确定当前整个多领导者无人艇系统的期望参考运行轨迹；

获取当前多领导者无人艇系统的位置信息以及多跟随者无人艇的位置信息；

根据所述当前多领导者无人艇系统的位置信息，确定多领导者无人艇系统在所述期望参考运行轨迹上形成的时变编队构型；

根据所述期望参考运行轨迹、所述时变编队构型和所述当前领导者无人艇的位置信息，为多领导者无人艇系统构造分布式时变编队跟踪控制器；

根据所述当前多领导者无人艇系统的位置信息、所述多跟随者无人艇的位置信息，确定多跟随者无人艇所形成的合围构型；

根据所述合围构型、所述多领导者无人艇系统的位置信息和所述多跟随者无人艇的位置信息，为多跟随者无人艇系统构造合围控制器；

设计所述时变编队跟踪控制器和所述合围控制器的参数，得到含参数设计的时变编队跟踪控制器和含参数设计的合围控制器；

根据所述含参数设计的时变编队跟踪控制器对所述领导者无人艇系统模型进行控制；

根据所述含参数设计的合围控制器对所述跟随者无人艇系统模型进行控制；

所述建立多无人艇系统的领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型，具体包括：

建立多无人艇系统的领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型：

其中，表示二维位置，ψ_j(t)表示航向角，u_j(t)和v_j(t)分别表示纵荡和横荡速度，r_j(t)表示偏航角速度，τ_j,1,τ_j,3表示控制输入，[m₁₁,m₂₂,m₃₃]^T表示惯量向量，[d₁₁,d₂₂,d₃₃]^T为阻尼系数向量，为x_j(t),y_j(t),u_j(t),v_j(t),r_j(t)的导数；

根据所述领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型，确定当前整个多领导者无人艇系统的期望参考运行轨迹，具体包括：

利用反馈线性化手段对所述领导者无人艇与跟随者无人艇的运动学模型进行简化处理，得到简化后的运动学模型；

根据所述简化后的运动学模型，确定当前整个多领导者无人艇系统的期望参考运行轨迹；

利用反馈线性化手段对公式(1)进行处理：

定义为的导数，

其中，为一个旋转矩阵，f_j(t)为一个非线性项，定义如下：

为了方便描述，定义作为一个虚拟中间信号，令p_j(t)＝[x_j(t),y_j(t)]^T，0为两行两列都为0元素的矩阵，I₂为二阶单位矩阵，则模型(2)可以化简为：

其中g_i(t)，g_k(t)为非线性项，定义如下：

i∈E,k∈F分别表示领导者与跟随者；

其中，f_i(t)，f_k(t)，g_i(t)，g_k(t)和他们的导数均有界；同样，对跟随者无人艇来说也是未知的，也是有界的；所有无人艇的纵荡速度|u_i(t)|是有界的，且非零的；

用无人艇N生成期望参考运行轨迹与r_N(t)，根据实际需求人为给定τ_N,3(t)，作用于下面系统，便可以得到期望参考运行轨迹与r_N(t)；

其中||τ_N,3(t)||需要满足是有界的；

所述设计所述时变编队跟踪控制器和所述合围控制器的参数，得到含参数设计的时变编队跟踪控制器和含参数设计的合围控制器，具体包括：

首先设计一个期望的时变编队h_k(t)，它需要满足下列条件

其中h₀＞0，如果满足，可继续后续步骤；否则停止，时变编队跟踪不能实现；

其次，设计观测器增益，选择κ_L,δ_L,0,δ_L,2,m_O,L,κ_F,δ_F,0,δ_F,2,m_O,F为正常数，求解下列线性矩阵不等式得到正定解R_L,R_F：

其中，C₀＝[I₃,0,0]；则观测器增益矩阵可以设计为和

设计控制器参数，选择其中c_L,δ_L,1,δ_L,2,δ_L,3,δ_L,4,m_C,L,c_F,δ_F,2,δ_F,3,δ_F,4,m_C,F为正常数，求解下列线性矩阵不等式得到正定解Q_L,Q_F：

其中则控制器增益矩阵可以设计为K_L＝-c_LB^TQ_L,K_F＝-c_FB^TQ_F；

选择中m_ρ,L＞0,m_ρ,F＞0，求解以下的代数不等式得到增益T_L,T_F:

选择m_T,L＞0,m_T,F＞0，求解下列代数不等式得到增益C_L,C_F: