[发明专利]基于向量场引导和固定时间CBF的多无人艇队形重构系统

权利要求书

1.一种基于向量场引导和固定时间CBF的多无人艇队形重构系统，其特征在于，系统包括N艘无人艇以及与各无人艇对应的N个个体控制器，任意所述个体控制器包括转向角设计模块和制导律设计模块，所述转向角设计单元包括引力向量场单元、斥力向量场单元和合向量场单元，所述制导律设计模块包括FT-CLF约束单元、FT-CBF约束单元以及QP控制器单元；

所述引力向量场单元的输入端连接第一比较器的输出端，所述第一比较器用于给出无人艇的实际位置信号与给定的目标位置信号的比较结果，所述引力向量场单元的输出端连接合向量场单元的输入端；

所述斥力向量场单元的输入端连接第二比较器的输出端，所述第二比较器用于给出无人艇的实际位置信号与静态障碍物位置信号的比较结果，所述斥力向量场单元的输出端连接合向量场单元的输入端；

所述合向量场单元的输出端连接FT-CLF约束单元的一个输入端；

所述FT-CLF约束单元的另一个输入端连接所述无人艇的输出端，用于接收无人艇的实际速度信号和角度信号，所述FT-CLF约束单元的输出端连接QP控制器单元的一个输入端；

所述FT-CBF约束单元的一个输入端连接第三比较器的输出端，所述第三比较器用于给出无人艇的实际位置信号与相邻无人艇位置信号的比较结果，另一个输入端连接第四比较器的输出端，所述第四比较器用于给出无人艇的实际位置信号与动态障碍物位置信号的比较结果，所述FT-CBF约束单元的输出端连接QP控制器单元的另一个输入端；

所述QP控制器单元的输出端连接无人艇的控制端。

2.根据权利要求1所述的一种基于向量场引导和固定时间CBF的多无人艇队形重构系统，其特征在于，第i艘无人艇的运动学方程表示为：

其中，x_i，y_i表示第i艘无人艇在地球坐标系下的位置，表示无人船的合速度，u_i，v_i，r_i分别表示在船体坐标系下的纵荡速度、横荡速度和艏摇角速度，ψ_iw＝ψ_i+β_i表示总速度的方向，ψ_i表示第i艘无人艇在地球坐标系下的艏摇角向量，β_i＝arctan(v_i/u_i)表示侧滑角。

3.根据权利要求1所述的一种基于向量场引导和固定时间CBF的多无人艇队形重构系统，其特征在于，所述引力向量场单元设计如下：

第i艘无人艇的引力向量场设计为F_ig＝[F_ixg F_iyg]^T

其中矢量α＝[α_x α_y]^T表示向量场的性质且α≠[0 0]^T。

经过下列变换得到输出信号

其中，z_ix、z_iy表示无人艇的实际位置信号与给定的目标位置信号的比较结果，ψ_ig＝arctan(α_iy/α_ix)，y＝tanψ_igx所表示的直线是F_ig的反射轴。