[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

本發明提供了一種基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法，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，固定坐標系以大地為參考，隨體坐標系以無人艇船體為參考，并建立單個無人艇的運動學模型；建立領航無人艇和跟隨無人艇位置關系的數學模型；基于虛擬子目標對領航無人艇進行隊形變換規劃，虛擬子目標指領航無人艇航行過程中下一時刻的位置；基于預先建立的優先級模型和隊形調節策略，對跟隨無人艇進行隊形變換規劃；對無人艇編隊進行反演滑模控制，控制跟隨無人艇在隊形變換過程中的速度。該方法既能保證無人艇編隊的穩定性和魯棒性，又能有效變換隊形，以應對航行至島嶼、狹窄水域等航行環境的情況。

技術領域

本發明涉及無人艇技術領域，具體涉及一種基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法和控制系統。

背景技術

近年來，水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作為典型的海上無人智能平臺系統，在開發利用海洋方面引起了學者們的高度重視。因為無人艇具有吃水淺、速度快、機動性強等優點，使其在軍事、民用領域都扮演著越來越重要的角色，比如在海圖繪制、水域環境監測、情報偵察、海洋科研與開發以及海上救援、圍捕等領域的應用。但是，隨著水域環境的復雜化及任務的多樣化，單無人艇的能力往往有限，不能很好的完成任務。相比于單無人艇作業，無人艇集群通過保持預設隊形，具有更大的作業范圍、更強的容錯能力、更低的成本以及更高的資源利用率，對于完成水上任務具有更為重要的意義。這就使得多無人艇協同控制逐漸成為研究的熱點。

編隊控制是多無人艇協同控制領域中最重要的問題之一，主要有領航-跟隨控制方法、基于行為的控制方法、虛擬領航者控制方法、神經網絡方法以及圖論法等。在這些方法中，領航-跟隨控制方法的應用最為廣泛，該方法指跟隨無人艇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。

對于領航-跟隨控制方法，由于無人艇編隊在海洋中執行任務時，會存在風、浪、流的干擾，這些干擾對無人艇高性能航行有很大的影響，不但會降低無人艇上搭載設備的工作效率，還會影響無人艇的航跡，使無人艇不能高精度的跟蹤期望軌跡。因此，為了保證無人艇的航行，無人艇控制器需要對無人艇航行狀態做出高精度的控制。無人艇控制器將直接決定無人艇能否在期望軌跡運行，是無人艇編隊系統的核心。

無人艇控制器的控制算法已經從經典控制算法、現代控制算法發展到如今可不依賴于精確數學模型的智能控制算法，通常包括神經網絡控制、模糊控制、自適應控制以及滑模控制等。

滑模控制是指根據系統所期望的動態特性設計一個滑模面，通過滑動模態控制器使系統狀態向滑模面快速移動。系統狀態到達滑模面后，將繼續沿著滑模面滑動至系統平衡點，即完成預期的控制目標。滑模控制算法物理實現簡單，對參數變化和擾動不靈敏，因此具有很強的穩定性和魯棒性，適合應用于非線性系統。但是實際應用過程中的非理想性使得滑模控制的精確度欠佳，系統難以嚴格地沿著滑模面滑動，而是在滑模面兩側來回穿越，導致系統發生抖振。并且，現實中無人艇編隊常常會航行至島嶼、狹窄水域等環境中，現有的研究甚少考慮到在此情況下無人艇的編隊變換。

因此，在滑模控制的基礎上，有必要提供一種無人艇編隊的控制方法，既能保證無人艇編隊的穩定性和魯棒性，又能控制無人艇編隊沿期望軌跡航行，并且能夠有效變換隊形，以應對航行至島嶼、狹窄水域等航行環境的情況。

發明內容

本發明提供了一種基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法和控制系統，該控制方法和控制系統既能保證無人艇編隊的穩定性和魯棒性，又能控制無人艇編隊沿期望軌跡航行，并且能夠有效變換隊形，以應對航行至島嶼、狹窄水域等航行環境的情況。

為實現上述目的和其他相關目的，本發明提供了一種基于反演滑模控制的無人艇編隊控制方法，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：