[發明專利]基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法和控制系統

有效

• 申請號: 202110367311.1
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113093804B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 王琳玲;吳恭興;安順民
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 張靜潔;曹媛

1.一種基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法，其特征在于，所述無人艇編隊包括一個領航無人艇和至少兩個跟隨無人艇，所述控制方法包括：

在無人艇的工作平面內，建立固定坐標系和單個無人艇的隨體坐標系，所述固定坐標系以大地為參考，所述隨體坐標系以無人艇船體為參考，通過所述固定坐標系和所述隨體坐標系建立單個無人艇的運動學模型，所述領航無人艇和所述跟隨無人艇均采用所述運動學模型；

在所述運動學模型的基礎上建立所述領航無人艇和所述跟隨無人艇位置關系的數學模型；

在所述運動學模型和所述數學模型的基礎上，基于虛擬子目標對所述領航無人艇進行隊形變換規劃，所述虛擬子目標指所述領航無人艇航行過程中下一時刻的位置；

在所述運動學模型和所述數學模型的基礎上，基于預先建立的優先級模型和隊形調節策略，對所述跟隨無人艇進行隊形變換規劃；

對所述無人艇編隊進行反演滑模控制，控制所述跟隨無人艇在隊形變換過程中的速度；

所述隊形調節策略包括：

當d_s＜d₀時，無需編隊變化；

當d_s＞d₀時，需要進行編隊變換，縮小d_s；

其中，d₀表示所述無人艇編隊航行過程中當前時刻以后某一時刻水道的最小寬度，d_s表示當前時刻所述無人艇編隊的編隊寬度；

所述隊形調節策略還包括：

當d_s＞d₀＞2Nr_s時，需要進行編隊調節，縮小d_s且保證d_s始終大于2Nr_s；

當d_s＜d₀≤2Nr_s時，需要進行編隊調節，縮小d_s且避免所述跟隨無人艇之間發生碰撞；

其中，2Nr_s表示臨界碰撞值，即N個所述跟隨無人艇并列航行并處在最小距離時所述無人艇編隊的寬度；

所述優先級模型為：

其中，表示第i個跟隨無人艇的距離優先級，表示第i個跟隨無人艇的角度優先級，l_iL表示第i艘所述跟隨無人艇與所述領航無人艇之間的距離，表示所述領航無人艇相對于第i艘所述跟隨無人艇的方位角；

并且，優先考慮所述距離優先級，的數值越大優先級越高，所述距離優先級相等時考慮所述角度優先級，的數值越大優先級越高，各個所述跟隨無人艇按照優先級的高低順序依次進行隊形變換；

采用閉環控制的方式對每一跟隨無人艇進行反演滑模控制，控制過程包括：

比較該跟隨無人艇的實際位姿與期望位姿得出位姿誤差；

運動控制器根據所述位姿誤差和該跟隨無人艇的理想速度生成一速度-減速度控制量，再基于所述速度-減速度控制量調整所述理想速度，得到一控制速度，其中，所述理想速度根據所述期望位姿得出；

控制該跟隨無人艇以所述控制速度航行；

所述速度-減速度控制量的計算方式為：

其中，[v_if w_if]^T表示所述速度-減速度控制量，表示所述理想速度，(x_ie,y_ie,θ_ie)表示位姿誤差，參數k_il＞0,k_i2＞0,α₁＞1,0＜α₂＜1，s_i是滑模變結構控制設計中選取的滑模變量，δ_i是一個正的小數。

2.如權利要求1所述的基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法，其特征在于，所述運動學模型為：

其中，η=[x y ψ]^T為一無人艇在所述固定坐標系中的慣性位置[x y]^T和航向角ψ，表示慣性速度，V＝[u v r]^T表示無人艇在隨體坐標系中的浪涌、搖擺和偏航率，旋轉矩陣J(ψ)將所述無人艇的隨體坐標系轉換為所述固定坐標系，定義為：