[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

说明书

本发明提供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，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。本发明能够使多个无人艇能够在固定时间内达到目标，同时避开动态和静态障碍物。

技术领域

本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，具体而言，尤其涉及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。

背景技术

多无人艇协同在海洋工程中具有广泛应用价值，其协同运动控制受到科学界的广泛关注，目前已经取得了一些重要研究进展。根据编队原理的不同，典型的多无人船协同控制方法包括基于行为法、虚拟结构法、人工势场法、领航-跟随法、图论法。根据协同跟踪目标的不同，现有研究结果可归纳为轨迹导引的协同控制、路径导引的协同控制和目标导引的协同控制。但目前的方法往往仅解决编队跟踪问题，无法完成从一个编队到另一个编队的编队重构任务。

避障避碰对于多无人艇的安全编队控制至关重要。现有的多无人艇避碰方法包括人工势能函数法、指定性能法、模型预测法等。然而，现有的控制方法仍有许多不足之处，比如人工势能函数的方法没有考虑输入约束，因而控制输入可能超过执行器的驱动能力。指定性能技术仅试图避免无人艇之间的碰撞，不能处理外部的动静态障碍物，模型预测控制方法也有类似的特点。

发明内容

针对多静态/动态障碍物下的多艘无人艇安全队形重构问题，本发明提供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，能够使多个无人艇能够在固定时间内达到目标，同时避开动态和静态障碍物。

本发明采用的技术手段如下：

本发明公开了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，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。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、传统的编队控制器并不能保证避免与群体外障碍物的碰撞，而本发明提出了一种严格安全的欠驱动无人艇编队重构控制器，可以避免每个无人艇与其相邻的无人艇、静态障碍物和动态障碍物之间的碰撞。