[發明專利]一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法

在審

• 申請號: 202011507333.5
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112578797A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 劉程;孫婷;胡啟智;張天航
• 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: 姜玉蓉;李洪福

1.一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：建立分布式制導系統；所述分布式制導系統根據編隊船舶的任務及所處的海洋環境計算出參考信號，并將其提供給控制系統；

S2：通過基于分布式制導的編隊控制方法將所述模型預測控制系統引入到編隊船舶的控制系統中，保證編隊船舶的當前狀態收斂到參考狀態。

2.根據權利要求1所述的一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，其特征在于，所述編隊控制方法包括：模型預測控制系統以及為所述模型預測控制系統提供參考狀態的分布式制導系統。

3.根據權利要求1所述的一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，其特征在于，所述模型預測控制系統包括以下步驟：

S11：建立船舶運動數學模型；

其中，η_i＝[x_i,y_i,ψ_i]^T表示位置和方向；υ_i＝[u_i,v_i,r_i]^T分別表示船舶前進、橫漂、首搖的速度；τ_i＝[τ_iu,τ_iv,τ_ir]^T表示控制輸入；τ_iw＝[τ_iwu,τ_iwv,τ_iwr]^T表示外界干擾；表示旋轉矩陣；表示慣性矩陣；表示阻尼矩陣；表示科里奧利向心矩陣，其中

S12：將式(1)的數學模型轉化為線性狀態空間形式

其中，表示系統狀態；表示控制輸出；

將式(2)轉化為離散時間系統：

其中

S13：通過未來狀態的控制量和當前的狀態信息量表示未來的狀態向量：

其中，N_p表示預測時域，N_c表示控制時域。

S14：預測輸出變量：

定義如下向量

并將式(6)寫成緊湊形式：

Y_i＝Σξ_i(k)+ΦΩ_i (7)

其中，

S15：通過最優化問題說明編隊控制問題：

其中，Q和R_w分別表示輸出和輸入的權重矩陣；表示參考信號。

4.根據權利要求1所述的一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，其特征在于，所述分布式制導系統中：

對于編隊集結控制，參考信號為時不變的，則分布式制導系統為：

其中，χ＞0，表示一致性參數，用于調節一致性算法的收斂速度；

將式(9)改寫成克羅內爾積形式：

式(10)中是拉普拉斯矩陣，表示切換拓撲結構；其中為時不變信號；

對于編隊跟蹤控制，參考信號是時變的，則分布式制導系統為：

式中定義L_n×(n+1)(t)＝[W(t)|b(t)]，w_ij(t)＝-a_ij(t)(i≠j)，b(t)＝[-a_1(n+1)(t) -a_2(n+1)(t) … -a_n(n+1)(t)]^T；

將式(11)改寫為

其中，θ＝[Δ₁₀ … Δ_n0]^T。