[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

本發明提供一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，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，包括以下步驟：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；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。本發明提出了一種新型的基于分布式制導的模型預測控制策略，用于切換拓撲下的船舶編隊控制，通過將分布式策略用于制導系統，而不是直接用于控制系統，僅使用部分通信鏈，簡化了編隊控制器的設計。

技術領域

本發明涉及船舶編隊控制方法的技術領域，具體而言，尤其涉及一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法。

背景技術

多船編隊控制在海洋環境監測、海域資源勘測、海上氣象數據采集和海上航行補給等方面具有單船不可比擬的優勢，但與此同時也帶來巨大挑戰。挑戰主要來自于通信拓撲，之前的研究工作主要集中于固定的通信拓撲，但是在復雜的海洋環境中，由于通信拓撲的局限性和不可靠性，任何通信故障都會導致編隊任務的失敗。為了解決這一問題，本發明提供了一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法。運用本發明提供的技術，在復雜的海洋環境中，既可以實現切換拓撲下的編隊跟蹤控制和編隊集結控制，又能降低通信成本，對通信故障具有較強的魯棒性，使多船高效完成編隊任務。

現有研究針對一組具有模型參數不確定性和外界擾動的欠驅動水面船，基于領導跟隨策略，提出了一種基于參數估計和上限估計的滑模控制方法，以解決未知模型參數和環境干擾問題。但是在該研究中假設通信拓撲是固定不變的，而在復雜的海洋環境中，由于帶寬受限、通信時延和間歇故障，通信拓撲有限且不穩定，任何臨時的通信故障都會導致整個任務的失敗，所以該研究存在一定的局限性。

發明內容

根據上述提出模型參數不確定性和外界擾動的欠驅動水面船的技術問題，而提供一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法。本發明主要利用一種切換拓撲下的基于分布式制導的船舶編隊控制方法，包括以下步驟：

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；

步驟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。

更進一步地，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。

進一步地，所述模型預測控制系統包括以下步驟：

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

步驟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：