[发明专利]一种多无人船编队防碰撞抗干扰控制系统

说明书

本发明公开了防碰撞抗干扰多无人船编队控制系统，包括用于对受控无人船模块建立的运动学与动力学模型进行重构的模型重构模块，获取无人船编队中与所述无人船存在信息交互的无人船信息并发送至位置预测控制模块的交互信息网络拓扑模块，获取无人船的航行信息和交互信息计算纵向速度控制输入和参考艏摇角序列并输入至艏摇角预测控制模块的位置预测控制模块，计算艏摇角速度控制输入值并输入至无人船运动学与动力学模型模块的艏摇角预测控制模块，以及计算艏摇角方向和模型不确定和时变海流扰动未知函数的估计值的不确定与扰动估计模块。该系统可以实现在复杂海洋环境下，提高无人船的抗扰动性与控制精确性，并能防止编队中无人船之间的碰撞。

技术领域

本发明涉及多无人船编队运动控制技术领域，尤其是多无人船编队防碰撞抗干扰控制系统。

背景技术

无人船是人类认识、开发和保护海洋的重要工具，是国家海洋科技水平的重要体现。协同性是衡量无人船智能化程度的标志，也是船舶智能化发展的必然要求。多无人船协同作业能够显著提高作业效率，形成优势互补和规模化效应。在无人船协同关键技术领域中，编队控制技术是重要组成部分，探索无人船编队控制技术具有重要意义。

针对无人船编队运动控制问题，已经有了一些可行的技术方案。例如，中国专利CN111506079A提出了一种考虑障碍物避让的新型无人船虚拟结构编队控制方法，该方法通过虚拟结构法构建参考轨迹，并将基础轨迹参数化，从而保证任意时刻都能维持队形。针对环境中存在障碍物的情况，利用人工势场法来调整基础轨迹以生成避让障碍物的参考轨迹，实现无人船在运动过程中的防碰撞。中国专利CN107015562A公开了一种基于分布式模型预测控制的优化编队跟踪控制方法，该方法对建立欠驱动无人船运动模型及跟踪误差模型，并根据邻居信息和误差模型进行状态预测，建立模型预测算法，实现编队优化跟踪控制。

通过观察，发现目前无人船编队运动控制方法存在以下不足：

一、现有无人船编队方法大多只关注控制鲁棒性和稳定性，未系统全面的考虑无人船实际状态约束、执行机构约束、编队避碰约束和优化性能指标，比如能量最优、控制输入的平滑性。若忽略这些因素进行控制方法的设计，必然会降低控制方法的最优性和工程适用性；

二、现有的基于优化的无人船编队控制方法大多依赖固定精确的无人船数学模型进行控制器的设计。复杂海洋环境下的实际无人船动态系统必然存在模型不确定性和海洋时变风浪流的扰动，因此在基于固定数学模型而不考虑实际海洋环境下模型不确定性的和时变风浪流扰动的情况下进行控制方法的设计会降低控制性能。

发明内容

本发明针对以上问题提出了一种多无人船编队防碰撞抗干扰控制系统。

本发明采用的技术手段如下：一种多无人船编队防碰撞抗干扰控制系统，包括模型重构模块、交互信息网络拓扑模块、位置预测控制模块、艏摇角预测控制模块以及不确定与扰动估计模块；

所述模型重构模块，用于获取受控无人船模块建立的受控无人船的运动学与动力学模型，并对所述运动学与动力学模型进行重构获得所述受控无人船在地球坐标系下的位置信息p_i、在地球坐标系下的速度信息q_i、在地球坐标系下的艏摇角信息以及在船体坐标系下的艏摇角速度r_i；

所述交互信息网络拓扑模块，用于获取无人船编队中与所述受控无人船存在信息交互的受控无人船的在地球坐标系下的位置信息p_i、在地球坐标系下的速度信息q_i、在地球坐标系下的艏摇角信息以及在船体坐标系下的艏摇角速度r_i，并将与所述受控无人船有信息交互的受控无人船在地球坐标系下的位置信息p_i和在地球坐标系下的速度信息q_i发送至位置预测控制模块；