[發明專利]考慮誤差約束的海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含容錯控制方法

有效

• 申請號: 201811392136.6
• 申請日: 2018-11-21
• 公開（公告）號: CN109240081B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 孫延超;秦洪德;陳輝;李曉佳;李凌宇;張棟梁
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 劉冰

考慮誤差約束的海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含容錯控制方法，涉及海底地震檢波飛行節點構型誤差約束包含控制方法。為了解決現有的控制方法不能在推進器發生故障時進行有效控制的問題和控制精度較差的問題。本發明首先建立多海底地震檢波飛行節點系統的動力學和運動學方程，將推進器損壞產生的影響表示為推力分布矩陣的變化，然后選取誤差函數與有限時間滑模變量，并選擇非奇異快速終端滑模面；根據選取的誤差函數、有限時間滑模變量和非奇異快速終端滑模面，設計控制器，從而實現海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含控制。本發明適用于海底地震檢波飛行節點有限時間構型包含容錯控制。

技術領域

本發明涉及海底地震檢波飛行節點構型誤差約束包含控制方法。

背景技術

近年來，多自主式水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)的協同控制問題已引起控制領域的極大關注，多AUV協同控制技術的應用也是高度多樣化的，如海洋測量和繪圖、軍事監視和防御、災難搜救和資源勘探等。而隨著海洋資源勘探的日益重要，將多AUV協同控制技術應用到該方面也更加合理與可靠。為完成在海底大范圍自動布設、自動回收的綜合海底地震檢波系統，發明人所在團隊提出并使用海地地震檢波飛行節點(Ocean Bottom Flying Node，OBFN)來完成勘探任務，海底地震檢波飛行節點屬于自主式水下機器人的一種。

多AUV協同控制主要有兩種類型，即集中式和分布式。對于集中式控制，各AUV的控制信號需要由操作人員或某一特定的AUV進行傳遞。相比于集中式控制系統，由于分布式系統中各AUV只需獲取相鄰AUV的信息即可，所以分布式控制系統具有更高的效率、可拓展性和穩定性，在工程中的應用更為廣泛。對于分布式控制，通訊拓撲描述了系統中各AUV之間的信息傳遞關系。一般將其分為兩種方式，即無向和有向通訊拓撲。但是，若系統中存在交流誤差，基于無向通訊拓撲的分布式控制方法可能會不起作用。相反，在有向通訊拓撲下，只需滿足系統的通訊拓撲具有有向生成樹即可完成分布式控制，因此基于有向通訊拓撲的控制方法更具有進一步研究的價值。在有向通訊拓撲下，當各AUV的位置和方向信息以離散時間序列進行交換時，《Distributed formation control of 6-DOF autonomousunderwater vehicles networked by sampled-data information under directedtopology.》(Ma,C.,Zeng,Q.:Distributed formation control of 6-DOF autonomousunderwater vehicles networked by sampled-data information under directedtopology.Neurocomputing.154,33-40(2015))研究了多AUV的協同問題，并基于輸入到狀態穩定特性設計了分布式控制器。對于多AUV的分布式控制，可以根據領航者的數目將其劃分為無領航者時的一致性控制、存在單個領航者的跟蹤控制以及存在多個領航者的包含控制。但是其是在無領航者的情況下研究的，對于存在多個領航者的包含控制問題不適用。對于多OBFN系統，采用包含控制是可以減少了設備成本的，因為整個系統可以在僅有領航者OBFN收到母船的信息時，共同前往目標區域，這樣僅需領航者配有可與母船進行長距離通訊的設備，而跟隨者只需載有與鄰近的跟隨者或領航者進行通訊的設備即可。在海洋技術領域，已有學者對包含控制進行了研究。在假設各AUV的動力學和干擾是平滑的情況下，《Robust containment control in a leader–follower network of uncertain Euler–Lagrange systems》(Klota,J.R.,Cheng,T.,Dixon,W.E.:Robust containment controlin a leader–follower network of uncertain Euler–Lagrange systems.Int.J.RobustNonlinear Control.26,3791-3805(2016))設計了一個分布式控制器，使得各跟隨者AUV可以漸進收斂到由任意數量時變的領航者組成的凸包內。應注意到，該控制方法只能實現系統的漸近收斂，而無法滿足某些情況下對收斂速度的要求。有限時間控制技術可以實現有限時間收斂，提高系統的性能。當相鄰智能體之間的相對狀態信息可用時，《Robustfinite-time containment control for high-order multi-agent systems withmatched uncertainties under directed communication graphs》(Fu,J.,Wang,J.:Robust finite-time containment control for high-order multi-agent systemswith matched uncertainties under directed communicationgraphs.Int.J.Control.89(6),1137-1151(2016))使用滑模控制技術為每個跟隨者設計了基于觀察者的分布式控制器，解決了有向通信拓撲結構下的有限時間控制問題。但是沒有考慮容錯控制，如果在航行過程中，AUV出現推進器故障，則可能無法順利完成任務。當OBFN在海洋中航行時，由于環境的復雜性，推進器很容易出現故障，所以系統的容錯性能對任務的完成至關重要。《Simultaneous fault detection and consensus control design fora network of multi-agent systems》(Davoodi,M.,Meskin,N.,Khorasani,K.:Simultaneous fault detection and consensus control design for a network ofmulti-agent systems.Automatica.66,185-194(2016))討論了故障檢測和一致性控制問題，僅使用智能體之間的相對輸出信息來設計分布式檢測估計器，使得所有智能體都達到狀態一致或模型參考一致，同時彼此協作來檢測群體中故障的發生。但是并未考慮誤差約束。推進器故障的存在將使誤差變大，所以約束誤差有助于提高系統的性能。在具有位置跟蹤誤差約束的情況下，《High-gain disturbance observer-based backstepping controlwith output tracking error constraint for electro-hydraulic systems》(Won,D.,Kim,W.,Shin,D.,Chung,C.:High-gain disturbance observer-based backsteppingcontrol with output tracking error constraint for electro-hydraulicsystems.IEEE Trans.Control Syst.Technol.23(2),787-795(2015))設計了一種高增益干擾觀測器，并使用障礙Lyapunov函數提出了反步控制器，該控制器滿足輸出約束并且在存在干擾的情況下改善了位置跟蹤性能。《Finite-time consensus of nonlinear multi-agent system with prescribed performance》(Li,X.,Luo,X.,Wang,J.:Finite-timeconsensus of nonlinear multi-agent system with prescribedperformance.Nonlinear Dyn.91,2397–2409(2018))研究了具有誤差約束的有限時間一致跟蹤問題，通過采用應用了障礙Lyapunov函數的誤差約束控制，和非奇異快速滑模控制技術，提出了一種新的分布式控制器，以保證多智能體系統與規定的性能同步。