[发明专利]用于欠驱动水面无人船舶的编队控制方法、介质及设备

说明书

本申请涉及船舶技术领域，具体而言，涉及一种用于欠驱动水面无人船舶的编队控制方法、介质及设备。本申请的编队控制方法融合了自适应控制律、动态面控制技术、神经网络技术、高增益观测器以及最小参数学习算法，只依赖于跟随船的视距、视线角、位置和艏摇角信息，编队控制器只需在线调节两个学习参数，便可实现相对于领航船的预设编队布局。考虑欠驱动领航船和跟随船的速度信息都不可知以及模型的不确定性和未知外界扰动的情况，不仅增强了多船编队系统抑制不确定模型和外界扰动的容错性，还通过减少计算量增强了无人船舶编队系统的鲁棒性。

技术领域

本申请涉及船舶技术领域，具体而言，涉及一种用于欠驱动水面无人船舶的 编队控制方法、介质及设备。

背景技术

这部分中描述仅提供与本公开有关的背景信息且可以不构成现有技术。

近年来，随着无人技术在智能船舶舶领域的迅猛发展，水面无人船舶的应用 也越来越广泛。水面无人船舶已成为水上救援、内河及近远海的环境监测、污染 清理、科学研究等各类工作的重要工具。与单无人船舶水面作业相比，多无人船 舶通过在航行过程中形成动态协同作业网络，可有效提高作业效率和系统的容错 性。

与现有一阶、二阶和一般线性系统个体的编队不同，在实际工作环境下，无 人船舶必然会受到诸如风、浪、流等环境扰动，具有“非线性、强耦合、模型不 确定”的特性。外部扰动一方面会影响无人船舶的动力学模型，带来不确定动力 学，此时若采用基于模型的无人船舶编队控制方法会由于模型失配造成编队控制 性能下降；另一方面也会干扰原始的控制作用，影响无人船舶集群的编队跟踪精 度。已有编队方法在处理无人船舶不确定动力学和外部扰动方面还有待进一步地 提升，需要设计更有效的编队控制器，在无人船舶编队过程中既能满足队形约束， 又能具有容错性，既能保证鲁棒性，又能减少计算量。欠驱动水面无人船舶由于 实际控制输入少于系统自由度，使得控制问题面临着更为复杂的挑战，同时存在 于动态模型内的高度非线性和强耦合性，导致控制器设计较为复杂，简单的控制方法不能直接应用。概括地说，各船舶的不确定动力学、所受的外界扰动以及各 种编队约束给无人船舶编队控制方法的发展带来了很大的挑战。

目前比较成熟的编队控制方法有以下几种：基于虚拟结构法、基于行为法、 基于跟随领航者法、基于人工势场法、基于路径跟随法和基于信息一致性法等。 其中跟随领航者法是常用的编队控制方法。在领随结构编队中，选择一个或者多 个个体作为领航者，剩余个体设为跟随者，驱动跟随者以预设的偏移跟踪领航者 的位置和方向。基于领随结构的编队控制虽然具有结构简单、易于实现等优点， 但由于整个编队由多个领随双自主体系统搭建，每个领随双自主体系统中的领航 者失效或出现故障都会对整个编队产生影响，同时编队误差也会随着领随双自主 体系统的逐级叠加而不断累积，容错能力差。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种用于欠驱动水面无人船舶的编队控制方 法，在欠驱动领航船和跟随船的速度信息都不可知，并且具有不确定模型和未知 外界扰动的情况下，为跟随船设计控制律，使得跟随船可实现相对于领导船的预 设编队布局，增强多船编队系统抑制不确定模型和外界扰动的容错性。

本申请实施例的另一目的还在于提供一种实现上述用于欠驱动水面无人船 舶的编队控制方法的计算机存储介质。

本申请实施例的另一目的还在于提供一种实现上述用于欠驱动水面无人船 舶的编队控制方法的计算机设备。

第一方面，提供了一种用于欠驱动水面无人船舶的编队控制方法，其特征在 于，包括以下步骤：

1)基于改进的自适应控制律，设计跟随船运动学虚拟控制律，以镇定视距 和视线角跟踪误差，从而构建出跟随船前进方向虚拟控制律；

2)利用步骤1)中的跟随船运动学虚拟控制律和跟随船前进方向虚拟控制 律，采用动态面控制技术，镇定跟随船的艏摇角跟踪误差，进而构建出跟随船艏 摇方向虚拟控制律；

3)构建高增益观测器以估计跟随船的速度；