[發明專利]一種基于有限時間擾動觀測器的固定時間編隊控制方法

有效

• 申請號: 201911276389.1
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN110879599B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 王寧;李賀;李仲昆;薛皓原;王仁慧;徐楷林
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜威威;李洪福

本發明公開了一種基于有限時間擾動觀測器的固定時間編隊控制方法，屬于多無人船協同控制領域，建立領航無人船和跟隨無人船的動力學和運動學模型，以及建立領航無人船子系統的期望軌跡模型，結合積分滑模面，設計領航無人船子系統的固定時間跟蹤控制器以實現領航無人船軌跡控制；采用反步法設計跟隨無人船子系統的虛擬速度，來確定領航無人船和跟隨無人船之間的位置誤差,并通過設計跟隨無人船的跟蹤控制器調整領航無人船和跟隨無人船之間的跟蹤誤差；采用有限時間擾動觀測器，并結合固定時間控制律提出在復雜環境下的基于有限時間觀測器的固定時間編隊控制策略，實現領航無人船和跟隨無人船之間的精確編隊控制，并計算出最大收斂時間，該方法提出有限時間擾動觀測器思想，它能夠對外界擾動實現快速、有效的辨識，從而提高了無人船編隊系統的魯棒性。

技術領域

本發明涉及多無人船協同控制領域，尤其涉及一種基于有限時間擾動觀測器的固定時間編隊控制方法。

背景技術

近些年，水面無人船(Unmanned Surface Vehicles,USV)在軍事和民用領域扮演著越來越重要的角色，如情報偵查、水域環境檢測、海圖繪制等方面。當面臨著復雜水域環境、多樣性的作業任務，單一無人船顯得勢單力薄。多無人艇協同控制因其具有高效率、廣覆蓋、強魯棒性等優勢，逐漸成為研究的熱點。在多無人艇協同控制領域，最重要的問題之一便是編隊控制，主要有五種常見策略：圖論策略、基于行為的控制策略、虛擬領航者控制策略、神經網絡和領航-跟隨控制策略等。在上述的幾種方法中，領航-跟隨控制策略得到了更加廣泛的應用。在領航-跟隨控制策略中，跟隨無人艇能夠有效跟蹤領航無人艇的運動軌跡，從而實現穩定的編隊隊形。

領航-跟隨無人艇編隊控制中，收斂速率是一個重要的控制指標。早期的文獻，針對一階多智能體系統的線性一致性拓撲，提出了代數連通圖的概念，并運用漸進收斂算法證明了其有效的收斂性。然而，漸進收斂算法存在其自身的劣勢，即收斂時間是不可預測的，這也導致了系統穩定性的不可預測。相比于此，隨后的研究更多采用有限時間收斂算法，求解單智能體或者多智能體編隊的收斂性問題，該算法極大地改善了以往算法的跟蹤精度和收斂速度。近幾年，作為有限時間算法的擴展，固定時間控制算法逐漸被引入多智能體編隊控制領域。固定時間控制算法能夠實現有限時間收斂，并且其收斂時間的上界可以通過數學方法計算得到。后來的研究分別運用固定時間算法在一階、二階以及高階多智能體系統中嘗試應用，并證明了其相比于有限時間控制策略的優越性。

領航-跟隨無人艇編隊系統中，編隊控制的穩定性將會受到復雜的外界環境擾動(主要體現在水域環境中風、浪、涌的干擾)影響，給水面無人艇穩定性控制帶來了極大的困難。為了處理復雜的外界擾動，以往主要采用了如下幾種控制方法對擾動進行處理，如非線性擾動觀測器、降維擾動觀測器等。近些年，有限時間擾動觀測器(Finite-timeDistribute Observer,FDO)技術逐漸成為研究熱點，并對FDO進行了嘗試應用，并取得了顯著的效果。相比于傳統的擾動觀測器，有限時間擾動觀測器能夠對擾動實現快速、高效的辨識。

漸進收斂算法存在其自身的劣勢，即收斂時間是不可預測的，這也導致了系統穩定性的不可預測；有限時間收斂算法雖然極大的改善了以往算法的跟蹤精度和收斂速度，但也無法求得收斂時間以往主要采用了如下幾種控制方法對擾動進行處理，如非線性擾動觀測器、降維擾動觀測器等。其存在無法對系統復雜擾動實現快速、高效的辨識。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種基于有限時間擾動觀測器的固定時間編隊控制方法，包括以下步驟：

S1：建立領航無人船和跟隨無人船的動力學和運動學模型；

S2：建立領航無人船子系統的期望軌跡模型，結合積分滑模面，設計領航無人船子系統的固定時間跟蹤控制器以實現領航無人船軌跡控制；

S3：采用反步法設計跟隨無人船子系統的虛擬速度，來確定領航無人船和跟隨無人船之間的位置誤差,并通過設計跟隨無人船的跟蹤控制器調整領航無人船和跟隨無人船之間的跟蹤誤差；