[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

说明书

本发明公开一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法及系统。一方面，本发明的方法仅需要局部信息，并不需要所有无人艇获得参考轨迹这一全局信息，另一方面本发明的方法在实现多无人艇系统中部分成员在形成时变编队跟踪的同时，另一部分成员实现合围控制，从而克服了无人艇编队在编队形成中由于规模太大而造成控制失效问题，进而降低了整个系统的成本。

技术领域

本发明涉及无人艇系统的协同控制领域，特别是涉及一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法及系统。

背景技术

多智能体系统的编队控制是目前控制领域的热点，并且在科研与工程领域得到了广泛的应用。无人艇在未来军事、民用领域将会得到极大的应用。在军事作战方面，无人艇作战，极大的降低了作战成本；在民用领域，无人艇协同运输货物，将会极大地减轻人的负担，提高运送效率。目前，基于一致性的编队控制方法具有较大的优点，它具有分布式控制的特点，能够降低通信压力，具有较好的可扩展性、鲁棒性、自适应性。

无人艇编队作为一类典型的物理系统，当编队中成员数量较多的时候，控制器的设计将会非常复杂。其中一类解决途径是层次控制。编队-合围跟踪控制技术可以解决这一类问题。首先将无人艇编队中的成员进行分类，分为领导者无人艇和跟随者无人艇。对于领导者无人艇编队来说，其需要携带通讯设备与探测设备，用于探测外部信息并与其余无人艇相互交流，可以设计编队跟踪控制器使得这些领导者无人艇能够在跟踪一条既定轨迹(参考轨迹)的同时，实现一定的编队队形；而针对跟随者无人艇，其仅需要携带通讯设备用于与其余无人艇相互交流，可以设计合围控制器，使得跟随者无人艇能够运行在领导者无人艇的位置所形成的突组合内部。这样就解决了大规模无人艇编队控制的问题，而且高低配置将会降低整个系统的成本。因此，研究多无人艇系统的编队-合围跟踪控制问题不仅具有理论意义，更加具有工程实际意义。

现有的无人艇编队方案大多是集中式控制方案，也就是无人艇均能够获得参考轨迹这一全局信息。此外，现有的无人艇编队成果中所有的艇均是同构的，也就是所有的艇均实现同样的功能、携带同样的通讯与探测设备，这样其成本将会很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法及系统，能够克服了无人艇编队在形成编队、编队形成中由于规模太大而造成控制失效问题，进而降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多无人艇的分布式编队合围跟踪控制方法，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；