CN108710373A - 一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法，所述的控制器包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇。本发明的分布式控制方式更为灵活，可以实现对大规模编队集群的有效控制，具有抗个体失效性强、通信开销小、扩展性好等优点，使得该编队控制器更有利于实际应用。本发明在满足了欠驱动无人艇的物理约束的同时，使得暂态控制过程中的控制输入最小化，提高了控制器的性能。本发明有效的降低了控制算法的计算负荷，从而提高了控制器的整体控制性能。

Description

一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法

技术领域

本发明涉及无人艇控制领域，特别是一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器及其设计方法。

背景技术

中国专利CN 107065877 A提供了一种基于相对位置的分布式编队球形包围追踪未知目标的方法，编队包围控制能在三维空间中实现，该方法简单可靠，可用于海洋、星球的协同探索等领域。

中国专利CN 105584599 A公开了一种基于无人艇编队运动的海洋环境监测***，其包括无人艇编队运动控制***、海洋环境监测传感***、无线通信***的无人艇以及远程海洋环境监测***；各无人艇编队运动控制***按照设定的无人艇编队运动模式驱动各自对应的无人艇电机形成航行编队队列并按照各自对应的航行轨迹运动；各海洋环境监测传感***实时将采集到的海洋环境监测数据向远程海洋环境监测***发送；远程海洋环境监测***实时形成可视化界面并能够对各无人艇实施远程控制。

但上述专利仍然存在以下问题：

第一，现有无人艇编队控制方法中，网络中每一艘无人艇大多都需要直接获取参考路径信息，即是一种集中式控制方式。这种方式要求控制中心结点具有较大的通讯带宽，这在编队群体规模大、任务及环境复杂等实际情形下很难满足。

第二，现有无人艇编队控制方法中，所设计制导信号大多未考虑***状态约束、输入约束以及能量约束等约束条件。这样所设计出的运动学制导律可能会违反无人艇的物理特性约束，使得控制器性能降低，从而影响无人艇编队控制效果。

第三，现有无人艇编队控制方法中，无人艇动力学***的不确定性估计与控制多采用神经网络方法，对未知不确定性进行在线逼近。但在实际应用中，神经网络存在计算负担大、调节参数多等缺点，不利于工程实现。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明要提出一种既能减少计算负荷、易于工程实现又能极大地提高控制器整体性能的网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器，包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇，所述的分布式协同制导模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端以及通讯网络相连；指令调节器的输入端分别与分布式协同制导模块的两个输出端、欠驱动无人艇的输出端与神经动力学优化模块的输出端相连；降维扰动观测器的输入端与欠驱动无人艇的输出端相连；速度控制模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端、指令调节器的两个输出端以及降维扰动观测器的两个输出端相连；速度控制模块的两个输出端分别与欠驱动无人艇的输入端相连。

所述的欠驱动无人艇的运动学和动力学模型用下式表示：

其中下标i代表编号为i的欠驱动无人艇；p_i表示在地球坐标系下欠驱动无人艇的位置；ψ_i代表欠驱动无人艇航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，并表示为：

u_i、v_i、r_i分别代表船体坐标系下的欠驱动无人艇纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iv、m_ir分别代表欠驱动无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；τ_iu、τ_ir分别表示欠驱动无人艇纵向的推力和艏摇方向上的力矩，由于欠驱动无人艇没有侧向推力，则τ_iv＝0；f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别表示纵向、侧向以及艏摇方向上由于向心力、阻尼力以及欠驱动无人艇未建模动态所产生的欠驱动无人艇不确定性；τ_iwu、τ_iwv分别为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇纵向、侧向方向上产生的力；τ_iwr为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇艏摇角方向上产生的力矩。

所述的通讯网络的结构如下：

设一个通讯网络由N个节点组成，其中包含M个欠驱动无人艇节点和N-M个虚拟领导者节点，虚拟领导者节点个数由期望的编队队形决定。通讯网络结构用图描述：

其中：

式中：代表M个欠驱动无人艇和N-M个虚拟领导者组成的节点集合。ε表示第i个节点和第j个节点之间存在信息传递。M艘欠驱动无人艇与N-M个虚拟领导者的通讯关系用图的邻接矩阵表示：

其中，如果a_ij＝1表示第j个节点的信息传递给第i个节点，即第j个节点是第i个节点的邻居节点，其他情况a_ij＝0。

一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器的设计方法，包括以下步骤：

A、分布式协同制导模块的设计

分布式协同制导模块的输入信号包括欠驱动无人艇的位置信号p_i，邻居欠驱动无人艇的位置信号参考路径信息所述的分布式协同制导模块的输出信号信号u_ic、r_ic设计为：

其中，h(·)是关于的p_i、p_j、υ_s函数，其中是邻居欠驱动无人艇的速度向量，为参考路径的导数，υ_s为参考速度；通过改变本艇与邻居欠驱动无人艇或邻居虚拟领导者的通讯网络结构，形成不同期望的分布式编队队形。

B、指令调节器的设计

指令调节器的输入信号为分布式协同制导模块的输出信号u_ic、r_ic以及欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，输出信号为满足欠驱动无人艇约束条件下最优的制导指令信号u_io、r_io，所设计的指令调节器表示为：

其中，u_io、r_io为优化后的制导指令信号；u_ic、r_ic为优化前的制导指令信号； ρ _i为考虑状态约束和输入约束后的上下界，λ_i1、λ_i2、λ_i3、λ_i4为权值，E_imax为最大能量约束。

C、降维扰动观测器的设计

降维扰动观测器的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i以及控制输入信号τ_iu、τ_ir，所设计的降维扰动观测器表示为：

其中，d_iu、d_ir是降维扰动观测器的辅助状态；为σ_iu、σ_ir的估计值，σ_iu、σ_ir分别表示为σ_iu＝f_iu(·)+τ_iwu、σ_ir＝f_ir(·)+τ_iwr；c_iu、c_ir为观测器增益。

D、速度控制模块的设计

速度控制模块的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，指令调节器的两个输出信号以及降维扰动观测器的两个输出信号，速度控制模块的输出信号τ_iu、τ_ir设计为

其中，τ_iu、τ_ir为速度控制模块的两个输出信号，同时作为欠驱动无人艇的两个输入信号；∈_i1、∈_i2为正常数；k_iu、k_ir为速度控制增益。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

第一，与现有参考路径全局已知的集中式欠驱动无人艇编队控制器相比，本发明采用只有部分欠驱动无人艇能够直接获得参考路径信息，其他欠驱动无人艇获取邻居欠驱动无人艇信息的分布式控制结构。相比集中式方式，分布式控制方式更为灵活，可以实现对大规模编队集群的有效控制，具有抗个体失效性强、通信开销小、扩展性好等优点，使得该编队控制器更有利于实际应用。

第二，与现有未考虑***状态约束，输入约束以及能量约束的欠驱动无人艇编队控制器相比，本发明通过建立优化性能指标函数，对制导信号进行优化，使得提出的欠驱动无人艇编队控制器所给出的优化制导信号在满足了欠驱动无人艇的物理约束的同时，使得暂态控制过程中的控制输入最小化，提高了控制器的性能。

第三，与现有采用神经网络进行欠驱动无人艇动力学***不确定性与扰动估计与控制的方法相比，本发明采用降维扰动观测器进行不确定性与扰动估计与控制，有效的降低了控制算法的计算负荷，有利于实际微处理器***如单片机或数字信号处理器的实时计算，从而提高了控制器的整体控制性能。

附图说明

本发明共有附图7张，其中：

图1是欠驱动无人艇分布式编队控制器结构示意图。

图2是五艘欠驱动无人艇分布式编队运动轨迹示意图。

图3是五艘欠驱动无人艇分布式编队纵向跟踪误差曲线图。

图4是五艘欠驱动无人艇分布式编队横向跟踪误差曲线图。

图5是指令调节器对纵向速度信号的优化效果图。

图6是指令调节器对艏摇速度信号的优化效果图。

图7是欠驱动无人艇纵向控制输入曲线图。

图8是欠驱动无人艇艏摇方向控制输入曲线图。

图9是降维扰动观测器对纵向的总扰动的观测效果图。

图10是降维扰动观测器对艏摇方向的总扰动的观测效果图。

具体实施方式

下面结合附图以一个五艘欠驱动无人艇和三个虚拟领导者组成的通讯网络为例，对本发明进行进一步说明。图1所示为本发明提出的网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器结构示意图，欠驱动无人艇编队***中的每艘欠驱动无人艇都满足式(1)所示的运动学和动力学模型。本例仿真中，共有五个欠驱动无人艇节点和两个虚拟领导者节点。其中一号、三号、五号欠驱动无人艇可以直接获取虚拟领导者信息，二号、四号欠驱动无人艇只能接收邻居欠驱动无人艇位置信息，此例的控制目标是五艘欠驱动无人艇能够跟踪给定的参数化路径曲线，并保持三角的编队队形。

仿真结果如图2-10所示。图2是五艘欠驱动无人艇分布式编队运动轨迹，图中的实线为给定的参数化路径，虚线为五艘欠驱动无人艇的实际运动轨迹，从图中可以看出一号、三号、五号欠驱动无人艇跟踪了给定参考参数化路径，二号、四号欠驱动无人艇通过访问邻居信息与其他三艇形成了三角的编队队形。图3和图4分别为五艘欠驱动无人艇的纵向跟踪误差和横向跟踪误差。图5-6显示的是欠驱动无人艇通过指令调节器分别对纵向速度信号和艏摇速度信号的优化效果。从图中可以看出分布式协同制导模块给出的制导信号没有满足欠驱动无人艇的速度约束条件，而优化后的指令信号满足了欠驱动无人艇的约束条件。图7-8描述的是欠驱动无人艇纵向控制输入和艏摇方向控制输入，图中可以看出欠驱动无人艇的控制输入满足了欠驱动无人艇的输入约束条件。图9-10是使用降维扰动观测器分别对纵向和艏摇方向的总扰动的观测效果图，其中实线为总扰动的真实值，虚线为其估计值，可以看到观测器对纵向以及艏摇方向的总扰动具有良好的估计效果。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器，其特征在于：包括通讯网络和多个控制器单元，所述的多个控制器单元分别与通讯网络连接；所述的控制器单元包括分布式协同制导模块、神经动力学优化模块、指令调节器、速度控制模块、降维扰动观测器和欠驱动无人艇，所述的分布式协同制导模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端以及通讯网络相连；指令调节器的输入端分别与分布式协同制导模块的两个输出端、欠驱动无人艇的输出端与神经动力学优化模块的输出端相连；降维扰动观测器的输入端与欠驱动无人艇的输出端相连；速度控制模块的输入端分别与欠驱动无人艇的输出端、指令调节器的两个输出端以及降维扰动观测器的两个输出端相连；速度控制模块的两个输出端分别与欠驱动无人艇的输入端相连；

所述的欠驱动无人艇的运动学和动力学模型用下式表示：

其中下标i代表编号为i的欠驱动无人艇；p_i表示在地球坐标系下欠驱动无人艇的位置；ψ_i代表欠驱动无人艇航向；R(ψ_i)为地球坐标系到船体坐标系的旋转矩阵，并表示为：

u_i、v_i、r_i分别代表船体坐标系下的欠驱动无人艇纵向速度、横漂速度以及艏摇角速度；m_iu、m_iu、m_ir分别代表欠驱动无人艇纵向、侧向以及艏摇方向的惯量；分别表示欠驱动无人艇纵向的推力和艏摇方向上的力矩，由于欠驱动无人艇没有侧向推力，则f_iu(·)、f_iv(·)、f_ir(·)分别表示纵向、侧向以及艏摇方向上由于向心力、阻尼力以及欠驱动无人艇未建模动态所产生的欠驱动无人艇不确定性；分别为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇纵向、侧向方向上产生的力；为海洋环境中时变风浪流扰动对欠驱动无人艇艏摇角方向上产生的力矩；

所述的通讯网络的结构如下：

设一个通讯网络由N个节点组成，其中包含M个欠驱动无人艇节点和N-M个虚拟领导者节点，虚拟领导者节点个数由期望的编队队形决定；通讯网络结构用图描述：

其中：

式中：v代表M个欠驱动无人艇和N-M个虚拟领导者组成的节点集合；ε表示第i个节点和第j个节点之间存在信息传递；M艘欠驱动无人艇与N-M个虚拟领导者的通讯关系用图的邻接矩阵表示：

其中，如果a_ij＝1表示第j个节点的信息传递给第i个节点，即第j个节点是第i个节点的邻居节点，其他情况a_ij＝0。

2.一种网络化欠驱动无人艇分布式编队控制器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、分布式协同制导模块的设计

分布式协同制导模块的输入信号包括欠驱动无人艇的位置信号p_i，邻居欠驱动无人艇的位置信号参考路径信息所述的分布式协同制导模块的输出信号信号u_ic、r_ic设计为：

其中，h(·)是关于的p_i、p_j、ν_j、v_s函数，其中ν_j是邻居欠驱动无人艇的速度向量，为参考路径的导数，v_s为参考速度；通过改变本艇与邻居欠驱动无人艇或邻居虚拟领导者的通讯网络结构，形成不同期望的分布式编队队形；

B、指令调节器的设计

指令调节器的输入信号为分布式协同制导模块的输出信号u_ic、r_ic以及欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，输出信号为满足欠驱动无人艇约束条件下最优的制导指令信号u_io、r_io，所设计的指令调节器表示为：

其中，u_io、r_io为优化后的制导指令信号；u_ic、r_ic为优化前的制导指令信号； ρ _i为考虑状态约束和输入约束后的上下界，λ_i1、λ_i2、λ_i3、λ_i4为权值，E_{i max}为最大能量约束；

C、降维扰动观测器的设计

降维扰动观测器的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i以及控制输入信号所设计的降维扰动观测器表示为：

其中，d_iu、d_ir是降维扰动观测器的辅助状态；为σ_iu、σ_ir的估计值，σ_iu、σ_ir分别表示为σ_iu＝f_iu(·)+τ_iwu、c_iu、c_ir为观测器增益；

D、速度控制模块的设计

速度控制模块的输入信号为欠驱动无人艇的速度信号u_i、r_i，指令调节器的两个输出信号以及降维扰动观测器的两个输出信号，速度控制模块的输出信号设计为

其中，为速度控制模块的两个输出信号，同时作为欠驱动无人艇的两个输入信号；∈_i1、∈_i2为正常数；k_iu、k_ir为速度控制增益。